Бриллианты раскрывают секреты нейронов

Прочитано: 75 раз(а)


Мозг, возможно, является одной из самых сложных структур в известной Вселенной.

Непрерывный прогресс в нашем понимании мозга и наша способность эффективно лечить множество неврологических заболеваний зависят от исследования нейронных микросхем мозга с постоянно увеличивающейся детализацией.

Один класс методов изучения нейронных цепей называется визуализацией напряжения . Эти методы позволяют нам увидеть напряжение, генерируемое возбуждающими нейронами нашего мозга, — рассказывая нам, как сети нейронов развиваются, функционируют и изменяются с течением времени.

Сегодня визуализация напряжения культивируемых нейронов выполняется с использованием плотных массивов электродов, на которых выращиваются (или культивируются) клетки, или путем нанесения светоизлучающих красителей, которые оптически реагируют на изменения напряжения на поверхности клетки.

Но уровень детализации, который мы можем увидеть с помощью этих методов, ограничен.

Самые маленькие электроды не могут надежно различить отдельные нейроны размером около 20 миллионных долей метра, не говоря уже о плотной сети наноразмерных связей, которые образуются между ними, и никаких значительных технологических достижений в этой области не было сделано более двух десятилетий.

Кроме того, для каждого электрода требуется собственное проводное соединение и усилитель, что накладывает значительные ограничения на количество электродов, которые можно измерять одновременно.

Красители могут преодолеть эти ограничения, отображая напряжение по беспроводной связи в виде света — это означает, что сложная электроника может быть расположена вдали от ячеек внутри камеры.

Результатом является высокое разрешение на больших площадях, позволяющее различать каждый отдельный нейрон в большой сети. Но и здесь есть ограничения: реакция современных красителей на напряжение медленная и нестабильная.

Наше недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature Photonics , исследует новый тип высокоскоростной, масштабируемой платформы для визуализации напряжения с высоким разрешением, созданной с целью преодоления этих ограничений, — микроскоп для визуализации напряжения с алмазным покрытием.

В устройстве, разработанном группой физиков из Мельбурнского университета и Университета RMIT, используется датчик на основе алмаза, который преобразует сигналы напряжения на его поверхности непосредственно в оптические сигналы — это означает, что мы можем видеть электрическую активность в момент ее возникновения.

Преобразование использует свойства дефекта атомного масштаба в кристаллической структуре алмаза, известного как азотная вакансия (NV).

Дефекты NV можно создать путем бомбардировки алмаза пучком ионов азота с использованием специального типа ускорителя частиц. Изготовление датчика начинается с использования этого процесса для создания сверхтонкого слоя NV-дефектов высокой плотности вблизи поверхности алмаза.

Вы можете думать о каждом дефекте NV как о ведре, которое содержит до двух электронов. Когда это ведро пусто, дефект NV темный. Дефект NV с одним электроном излучает оранжевый свет при освещении лазером — это свойство известно как флуоресценция. При наличии двух электронов цвет флуоресценции становится красным.

Ранее обнаруженное свойство NV-дефектов заключается в том, что число удерживаемых ими электронов и результирующая флуоресценция могут контролироваться напряжением. В отличие от красителей, реакция дефекта NV по напряжению очень быстра и стабильна.

Наше исследование направлено на то, чтобы сделать этот эффект достаточно чувствительным, чтобы отображать активность нейронов.

На поверхности алмаза кристаллическая структура заканчивается слоем толщиной в один атом, состоящим из атомов водорода и кислорода. Ближайшие к поверхности NV-дефекты наиболее чувствительны к изменениям напряжения вне алмаза, но они также очень чувствительны к атомарному составу поверхностного слоя.

Слишком много водорода, и НВ настолько темные, что оптические сигналы, которые мы ищем, не видны. Слишком мало водорода, и NV настолько ярки, что слабые сигналы, которые мы ищем, полностью размыты.

Итак, есть «зона Златовласки» для визуализации напряжения, где на поверхности содержится нужное количество водорода.

Чтобы достичь этой зоны, наша команда разработала электрохимический метод контролируемого удаления водорода. Сделав это, нам удалось добиться чувствительности к напряжению на два порядка лучше, чем сообщалось ранее.

Мы протестировали наш датчик в соленой воде, используя микроскопическую проволоку в 10 раз тоньше человеческого волоса. Подавая ток, провод может создать небольшое облако заряда в воде над алмазом. Формирование и последующая диффузия этого облака заряда создает небольшие напряжения на поверхности алмаза.

Улавливая эти напряжения с помощью высокоскоростной записи флуоресценции NV, мы можем определить скорость, чувствительность и разрешение нашего чипа для визуализации алмазов.

Мы смогли еще больше повысить чувствительность, превратив поверхность алмаза в «наностолбы» — конические структуры с NV-центрами, встроенными в их кончики. Эти столбы направляют свет, излучаемый НВ, к камере, резко увеличивая количество сигнала, который мы можем собрать.

С появлением алмазного микроскопа для визуализации активности нейронов следующим шагом стала запись активности культивируемых нейронов in vitro — это эксперименты с клетками, выращенными вне их нормального биологического контекста, иначе называемые пробирками или чашками Петри. эксперименты.

Что отличает эту технологию от существующих передовых методов in vitro, так это сочетание высокого пространственного разрешения (порядка миллионной доли метра или меньше), большого пространственного масштаба (несколько миллиметров в каждом направлении, что для сеть нейронов у млекопитающих довольно обширна) и полная стабильность во времени.

Никакая другая существующая система не может одновременно предложить эти три качества, и именно это сочетание позволит нашей технологии, созданной в Мельбурне, внести ценный вклад в работу нейробиологов и нейрофармакологов во всем мире.

Наша система поможет этим исследователям получить как фундаментальные знания, так и новое поколение методов лечения неврологических и нейродегенеративных заболеваний.

Бриллианты раскрывают секреты нейронов



Новости партнеров