Onderzoekers van UCLA en Columbia University hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de activiteit van kleine moleculen in de hersenen te volgen, waaronder de neurotransmitters serotonine en dopamine. Door kleine kunstmatige receptoren te koppelen aan halfgeleiderapparaten die in levend weefsel kunnen functioneren, het team was in staat om hersenchemicaliën op een hoog detailniveau te observeren.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , maakt deel uit van het BRAIN-initiatief, een grootschalige samenwerking tussen de overheid, particuliere industrie, non-profitorganisaties, en tal van hogescholen en universiteiten.

"Als we de fundamenten begrijpen van hoe neurotransmissie plaatsvindt, kunnen we niet alleen begrijpen hoe onze hersenen werken, maar wat gebeurt er bij psychiatrische stoornissen, " zei Andrews. "Om verder te gaan met dramatisch betere behandelingen, we moeten begrijpen hoe we informatie over angst of stemming coderen - processen die mis kunnen gaan, soms met verwoestende gevolgen."

"Het idee voor dit project begon 20 jaar geleden, " zei hoofdonderzoeker Anne M. Andrews, hoogleraar psychiatrie en scheikunde aan de UCLA. "Het werd geboren uit een kritieke behoefte in mijn eigen onderzoek naar serotonine. Mijn groep gebruikte de modernste in vivo monitoring - maar het werd me duidelijk dat het verbeteren van de huidige methoden niet genoeg zou zijn om de noodzakelijke oplossing. We hadden een totaal nieuwe detectiestrategie nodig." Dit leidde tot een samenwerking met Paul Weiss, hoogleraar scheikunde en materiaalkunde aan de UCLA.

Andrews stelde zich voor om kunstmatige receptoren te koppelen aan een signaleringsplatform op nanoschaal. Een grote hindernis, echter, was dat de vereiste transistoren, dat zijn basiseenheden van computers en mobiele telefoons, en zijn nodig om een ​​signaal te verwerken, werken niet goed in nat, zoute omgevingen.

"Het werkpaard van elke transistor is de halfgeleider, "Zei Andrews. "Maar als je het in zout water doet, de zoutionen - geladen atomen - staan ​​op één lijn op het halfgeleideroppervlak, en bescherm het, het voorkomen van detectie van elektrische veldveranderingen. De vraag was, 'Hoe kunnen we gebruikmaken van de krachtige wetenschap en gevoeligheid van bestaande transistors om ze te gebruiken in zoutrijke omgevingen zoals de hersenen?' " Een samenwerking met Yang Yang, een professor in materiaalkunde aan de UCLA, voorzag het team van hoogwaardige halfgeleidermaterialen op nanoschaal.

Kijken naar de natuur is soms effectiever dan het bedenken van totaal nieuwe methoden, zei Andreas. Dus ze werkte samen met professor Milan Stojanovi? en Dr. Kyung-Ae Yang, beide van Colombia, die nucleïnezuursequenties als receptoren gebruikten. Een voordeel van deze biomoleculen is dat ze kleiner zijn dan grotere eiwitreceptoren die door inheemse cellen en andere onderzoekers voor biosensoren worden gebruikt.

"Onze doorbraak was dat we een ander soort receptor gebruikten die biologisch geïnspireerd was - tenslotte, het leven begon met RNA, " zei Andrews. De onderzoekers van Columbia ontwikkelen nucleïnezuursequenties die als receptoren werken, aptamers genoemd, die klein genoeg zijn dat een deel zich dicht bij halfgeleideroppervlakken bevindt. En hierin, we hebben het probleem van de 'zoutafscherming' overwonnen."

In de nieuwe krant het team heeft met succes receptoren voor serotonine geïdentificeerd en getest, dopamine, en glucose. De receptoren bleken extreem selectief te zijn, alleen de moleculen binden waarvoor ze zijn ontworpen. Het systeem was zelfs succesvol in levend hersenweefsel van muizen.

De methode is universeel, zodat het voor bijna elk doel kan worden gebruikt - om te leren, bijvoorbeeld, hoe medicijnen met de tijd veranderen in de hersenen of andere organen, hoe de bloeddruk wordt gereguleerd, en hoe signaalmoleculen geassocieerd met het darmmicrobioom eb en vloed.

De grootste interesse van Andrews ligt nog steeds bij neurotransmitters. "We hebben momenteel geen methoden om neurotransmittersignalering te bestuderen op de schalen waarover informatie wordt gecodeerd, "zei Andrews. "Dus deze sensoren zullen ons in staat stellen kritische dimensies te benaderen. Een doel is om er uiteindelijk achter te komen hoe hersenen informatie verwerken via verschillende neurotransmitters." De bevindingen hebben niet alleen implicaties voor het observeren hoe neurochemicaliën werken onder normale omstandigheden, maar ook in het begrijpen van psychiatrische aandoeningen zoals depressie en angst.

Het team test nu de strategie om neurochemicaliën in de hersenen van zich gedragende dieren te bekijken.