Любой, кто знаком с антидепрессантами, такими как прозак или веллбутрин, знает, что эти препараты повышают уровень нейротрансмиттеров в мозге, таких как серотонин и дофамин, которые, как известно, играют важную роль в настроении и поведении.
Поэтому может показаться удивительным, что у ученых до сих пор очень мало данных о конкретных отношениях между нейротрансмиттерами — химическими веществами, передающими сообщения от одной клетки мозга к другим — и нашими психологическими состояниями. Проще говоря, мониторинг колебаний этих нейрохимических веществ в живом мозгу оказался постоянной проблемой.
Теперь ученые Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе впервые прикрепили наноразмерные биохимические датчики, настроенные для идентификации конкретных нейротрансмиттеров, к мягкому имплантируемому мозговому зонду, чтобы постоянно отслеживать эти химические вещества в режиме реального времени. Новый мозговой зонд, описанный в статье, опубликованной в ACS Sensors , позволит ученым отслеживать нейротрансмиттеры у лабораторных животных и, в конечном счете, у людей во время их повседневной деятельности.
Возможность непрерывного измерения нейротрансмиттеров в высоком разрешении в течение длительного времени обеспечит более точное понимание того, как серотонин, дофамин и другие нейротрансмиттеры влияют на психологические состояния, что может привести к более эффективному лечению депрессии и других психических расстройств, сказал соответствующий автор статьи. Энн Эндрюс, профессор психиатрии и биоповеденческих наук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, а также химии и биохимии.
«Мы знаем, что серотонин и дофамин участвуют в некоторых поведенческих аспектах депрессии, но причины сложны и не так просты, как низкий уровень одного трансмиттера», — сказал Эндрюс, который также является членом Калифорнийского института наносистем Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Центр нейрофармакологии Хатос. «Мы думаем, что этот тип мягкого зонда будет полезен для изучения долгосрочных процессов в мозге экспериментальных животных, особенно процессов, лежащих в основе психических расстройств».
Мягкий датчик представляет собой значительный шаг вперед по сравнению с обычными датчиками для мозга, жесткость которых может раздражать ткань мозга при каждом движении головы, что приводит к воспалению, которое часто нарушает способность датчика считывать и записывать данные. По словам исследователей, гибкость мягкого зонда позволит человеку свободно двигаться во время наблюдения.
Разработка и тестирование мягкого зонда
Исследовательская группа изготовила небольшой стреловидный зонд шириной примерно 0,15 миллиметра и толщиной 0,007 миллиметра на основе полиимида, прочного, но гибкого полимера, часто используемого в медицинских трубках, таких как катетеры, и в других медицинских устройствах.
Два датчика, прикрепленные к наконечнику зонда, обнаруживают присутствие определенного нейротрансмиттера — в данном случае серотонина — с помощью сконструированных нитей ДНК, называемых аптамерами, которые устроены таким образом, что молекулы серотонина подходят к ним, как ключ к замку. Когда серотонин присоединяется, аптамеры меняют форму таким образом, что изменяются электрические поля на поверхности транзистора, передавая информацию ученым.
Затем мягкий зонд был имплантирован в модель мозга, которая имитирует структурные и химические свойства естественной мозговой ткани первого автора Чуаньчжэня Чжао. Чжао, получивший докторскую степень по химии и биохимии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, а в настоящее время занимающий постдокторскую степень в Стэнфордском университете, ввел серотонин в модель рядом с зондом и обнаружил, что датчики зонда успешно обнаруживают низкие уровни серотонина, подобные тем, которые встречаются в живом мозге.
Хотя текущее исследование нацелено на серотонин, Эндрюс отметила, что исследователи могут легко разместить дополнительные датчики, специфичные для нейротрансмиттеров, которые ее группа уже разработала, на мягкие зонды, что позволит ученым обнаруживать несколько нейротрансмиттеров одновременно. И хотя зонд еще не был испытан на живом мозге, способность контролировать несколько нейротрансмиттеров в сочетании с гибкостью и долговечностью зонда может в конечном итоге оказаться благом для ученых, изучающих мозговые процессы у животных в долгосрочной перспективе.
«Например, если мы хотим изучить, что происходит в мозгу, пока животное изучает задачу или во время старения, наши датчики могут давать множественные нейрохимические измерения в течение длительных периодов времени», — сказала она.
Исследователи заявили, что мягкие зонды также потенциально могут быть использованы для улучшения терапии глубокой стимуляции мозга, при которой электроды, имплантированные в мозг, регулируют возбуждение нервных импульсов при таких заболеваниях, как болезнь Паркинсона и эпилепсия, а также интерфейсы мозг-машина, которым препятствуют жесткость их основы.
Чжао и Эндрюс недавно использовали аналогичные аптамерные биосенсоры на основе полевых транзисторов на полиимиде для мониторинга уровня гормона стресса кортизола в поте людей с помощью умных часов.
