Onderzoekers hebben sensoren op nanoschaal ontwikkeld die in het lichaam kunnen worden geïnjecteerd om op een niet-invasieve manier hersenactiviteit te volgen met behulp van licht. De aanpak zou op een dag een nieuwe manier kunnen bieden om de hersenen te bestuderen of het functioneren van de hersenen van patiënten te beoordelen zonder de noodzaak van chirurgie of geïmplanteerde apparaten.

A. Ali Yanik van de Universiteit van Californië, Santa Cruz, zal verslag uitbrengen over de technologie, genaamd NeuroSWARM ³ , op het virtuele OSA Imaging and Applied Optics Congress van 19-23 juli. De presentatie van Yanik staat gepland voor dinsdag.

"NeuroSWARM ³ kan de signalen die met gedachten gepaard gaan, omzetten in op afstand meetbare signalen voor zeer nauwkeurige brein-machine-interfacing, "Zei Yanik. "Het stelt mensen met een fysieke handicap in staat om effectief te communiceren met de buitenwereld en om draagbare exoskelettechnologie te besturen om beperkingen van het lichaam te overwinnen. Het kan ook vroege tekenen van neurale ziekten oppikken."

De aanpak biedt een nieuwe manier om elektrische activiteit in de hersenen te volgen met behulp van een systeem-op-nanodeeltjes-sonde die qua grootte vergelijkbaar is met een viraal deeltje. Neuronen gebruiken elektrische signalen om informatie aan elkaar over te brengen, deze signalen cruciaal maken voor het denken, geheugen en beweging. Hoewel er veel gevestigde methoden zijn om de elektrische activiteit van de hersenen te volgen, de meeste vereisen een operatie of geïmplanteerde apparaten om de schedel te penetreren en rechtstreeks in contact te komen met neuronen.

De onderzoekers noemden hun nieuwe technologie Neurophotonic Solution-dispergible Wireless Activity Reporters voor massaal gemultiplexte metingen, of NeuroSWARM ³ .

De aanpak omvat het introduceren van gemanipuleerde elektro-plasmonische nanodeeltjes in de hersenen die elektrische signalen omzetten in optische signalen, waardoor hersenactiviteit kan worden gevolgd met een optische detector van buiten het lichaam.

De nanodeeltjes bestaan ​​uit een kern van siliciumoxide met een diameter van 63 nanometer met een dunne laag elektrochroom geladen poly (3, 4-ethyleendioxythiofeen) en een gouden coating van 5 nanometer dik. Omdat ze door hun coating de bloed-hersenbarrière kunnen passeren, ze kunnen in de bloedbaan of rechtstreeks in de hersenvocht worden geïnjecteerd.

Eenmaal in de hersenen, de nanosensoren zijn zeer gevoelig voor lokale veranderingen in het elektrische veld. Bij laboratoriumtesten, in vitro prototypes van de NeuroSWARM ³ konden een signaal-ruisverhouding van meer dan 1 genereren 000, een gevoeligheidsniveau dat geschikt is voor het detecteren van het elektrische signaal dat wordt gegenereerd wanneer een enkel neuron vuurt.

"We pionierden met het gebruik van elektrochrome polymeren (bijv. PEDOT:PSS), voor optische (draadloze) detectie van elektrofysiologische signalen, " voegde Yanik toe. "Elektrochrome materialen met optische eigenschappen die omkeerbaar kunnen worden gemoduleerd door een extern veld, worden conventioneel gebruikt voor slimme glas- / spiegeltoepassingen."

NeuroSWARM ³ kan worden gezien als een elektrochroom geladen plasmonantenne op nanoschaal die omgekeerd wordt bediend:in plaats van een bekende spanning aan te leggen, de optische eigenschappen ervan worden gemoduleerd door de stekelige elektrogene cellen in de buurt ervan. Vandaar, NeuroSWARM ³ biedt een far-field bio-elektrisch signaaldetectievermogen in een enkel nanodeeltjesapparaat dat draadloze voeding verpakt, elektrofysiologische signaaldetectie en data-uitzendmogelijkheden in nanoschaaldimensies.

De optische signalen gegenereerd door NeuroSWARM ³ deeltjes kunnen van buiten de hersenen worden gedetecteerd met behulp van nabij-infrarood licht met golflengten tussen 1, 000-1, 700nm. De nanodeeltjes kunnen voor onbepaalde tijd functioneren zonder dat er een stroombron of draden nodig zijn.

Andere onderzoekers hebben een vergelijkbare benadering onderzocht met behulp van kwantumstippen die zijn ontworpen om te reageren op elektrische velden. Als we de twee technologieën vergelijken, vonden de onderzoekers NeuroSWARM ³ genereert een optisch signaal dat vier ordes van grootte groter is. Quantum dots hadden een tien keer hogere lichtintensiteit en honderd keer meer sondes nodig om een ​​vergelijkbaar signaal te genereren.

"We staan ​​nog maar aan het begin van deze nieuwe technologie, maar ik denk dat we een goede basis hebben om op voort te bouwen, " zei Yanik. "Ons volgende doel is om experimenten met dieren te starten."

Naast Yanik, de co-auteurs van deze studie zijn UCSC-afgestudeerde studenten Neil Hardy, Ahsan Habib, en niet-gegradueerde onderzoeker Tanya Ivanov.