Wat als de hersenen hun eigen ziekte zouden kunnen detecteren? Onderzoekers hebben geprobeerd een materiaal te creëren dat 'denkt' zoals de hersenen doen, die gevoeliger zouden zijn voor vroege tekenen van neurologische ziekten zoals Parkinson.

Denken is nog ver weg, maar onderzoekers van Purdue University en Argonne National Laboratory hebben een nieuw materiaal ontwikkeld dat op zijn minst kan 'luisteren'.

De lingua franca is ionenstromen, die de hersenen helpen een bepaalde reactie uit te voeren, nodig voor zoiets basaals als het verzenden van een signaal om te ademen. Het detecteren van ionen betekent ook het detecteren van de concentratie van een molecuul, die dient als een indicator van de gezondheid van de hersenen.

In een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , onderzoekers demonstreren het vermogen van een kwantummateriaal om automatisch waterstof te ontvangen wanneer het onder het hersenplakje van een diermodel wordt geplaatst. Kwantum betekent dat het materiaal elektronische eigenschappen heeft die beide niet verklaard kunnen worden door de klassieke natuurkunde, en die het een unieke voorsprong geven op andere materialen die in de elektronica worden gebruikt, zoals silicium.

De rand, in dit geval, is sterk, "gecorreleerde" elektronen die het materiaal extra gevoelig en extra afstembaar maken.

"Het doel is om de kloof te overbruggen tussen hoe elektronica denkt, dat is via elektronen, en hoe de hersenen denken, dat is via ionen. Dit materiaal heeft ons geholpen een mogelijke brug te vinden, " zei Hai-Tian Zhang, een Gilbreth postdoctoraal fellow in Purdue's College of Engineering en eerste auteur op het papier.

Op lange termijn, dit materiaal kan zelfs de mogelijkheid bieden om je hersenen te "downloaden", zeggen de onderzoekers.

"Stel je voor dat je een elektronisch apparaat in de hersenen plaatst, zodat wanneer natuurlijke hersenfuncties beginnen te verslechteren, een persoon kan nog steeds herinneringen ophalen van dat apparaat, " zei Shriram Ramanathan, een Purdue-professor materiaaltechnologie wiens laboratorium is gespecialiseerd in het ontwikkelen van op de hersenen geïnspireerde technologie.

"We kunnen vol vertrouwen zeggen dat dit materiaal een potentieel pad is naar het bouwen van een computerapparaat dat herinneringen zou opslaan en overdragen, " hij zei.

De onderzoekers testten dit materiaal op twee moleculen:glucose, een suiker die essentieel is voor de productie van energie, en dopamine, een chemische boodschapper die beweging reguleert, emotionele reacties en geheugen.

Omdat de hoeveelheid dopamine in de hersenen doorgaans laag is, en zelfs lager voor mensen met de ziekte van Parkinson, het opsporen van deze chemische stof is notoir moeilijk. Maar het vroegtijdig detecteren van dopamine-niveaus zou een snellere behandeling van de ziekte betekenen.

"Dit kwantummateriaal is ongeveer negen keer gevoeliger voor dopamine dan methoden die we momenteel gebruiken in diermodellen, " zei Alexander Chubykin, een assistent-professor biologische wetenschappen aan het Purdue Institute for Integrative Neuroscience, gevestigd in Discovery Park.

Het kwantummateriaal dankt zijn gevoeligheid aan sterke interacties tussen zogenaamde 'gecorreleerde elektronen'. De onderzoekers ontdekten eerst dat toen ze het materiaal in contact brachten met glucosemoleculen, de oxiden zouden via een enzym spontaan waterstof uit de glucose halen. Hetzelfde gebeurde met dopamine die vrijkwam uit een plakje muishersenen.

De sterke affiniteit met waterstof, zoals aangetoond toen onderzoekers van het Argonne National Laboratory simulaties van de experimenten maakten, stond het materiaal toe om zelf atomen te extraheren - zonder stroombron.

"Het feit dat we het materiaal geen stroom hebben geleverd om waterstof op te nemen, betekent dat het elektronica met een zeer laag vermogen en een hoge gevoeligheid kan brengen, " zei Ramanathan. "Dit kan nuttig zijn voor het onderzoeken van onontgonnen omgevingen, ook."

De onderzoekers zeggen ook dat dit materiaal de atomen van een reeks moleculen kan waarnemen, dan alleen glucose en dopamine. De volgende stap is het creëren van een manier waarop het materiaal "terug kan praten" met de hersenen.