Wetenschappers van de Universiteit van Buffalo hebben magnetische nanodeeltjes gebruikt om ionenkanalen op afstand te besturen, neuronen in celcultuur en zelfs de beweging van een kleine worm.

Wetenschappers van de Universiteit van Buffalo hebben $ 1,3 miljoen ontvangen van het National Institute of Mental Health (NIMH) om te testen hoe klein, magnetische deeltjes kunnen worden gebruikt om neuronen in de hersenen van muizen op afstand te besturen.

Als het werk succesvol is, het onderzoeksteam zal neurowetenschappers een krachtige, nieuw hulpmiddel:een niet-invasieve techniek om activiteit diep in de hersenen op gang te brengen.

Dit soort afstandsbediening, neurostimulatie zou onderzoekers helpen meer te weten te komen over hoe de gecompliceerde neuronale circuits van de hersenen gedrag sturen, wat uiteindelijk leidt tot een beter begrip en mogelijk een behandeling van aandoeningen waarbij sprake is van letsel of storing van specifieke sets neuronen. Traumatisch hersenletsel, Ziekte van Parkinson, dystonie en perifere verlamming vallen allemaal in deze categorie.

"Ons vroege begrip over de functionele regio's van de hersenen kwam van patiënten die veranderingen in hun gedrag vertoonden nadat ze een deel van hun hersenen hadden verloren aan traumatisch hersenletsel of een tumor, " zei Arnd Pralle, de universitair docent natuurkunde die de nieuwe UB-studie leidt. "Het vermogen om individuele cellen nu omkeerbaar aan of uit te zetten en het gedrag van het dier te observeren, brengt ons eindelijk op het niveau van het eigenlijke neurologische circuit, dat is enorm spannend."

De nieuwe NIMH-financiering, die afkomstig is van het programma van het National Institute of Health voor Exceptional, Onconventioneel onderzoek dat kennisversnelling mogelijk maakt (EUREKA), is een bewijs van de belofte van Pralle's werk.

Hij en zijn collega's zijn er al in geslaagd om met hun afstandsbedieningstechniek calciumionkanalen te openen, activeer neuronen in celcultuur, en zelfs het gedrag van C. elegans manipuleren, een klein wormpje.

De aanpak omvat het gebruik van verwarmde, magnetische nanodeeltjes in combinatie met een aantal slimme genetische manipulatie.

Zo werkt het in de hersenen:Ten eerste, wetenschappers gebruiken onschadelijke virussen om een ​​speciale DNA-streng in de hersenen te dragen. Het nieuwe genetische materiaal induceert specifieke, gerichte cellen om een ​​speciaal ionenkanaal te bouwen dat een receptor bevat die magnetische nanodeeltjes zullen herkennen.

Wanneer de nanodeeltjes op deze ionkanalen klikken, wetenschappers passen een wisselend magnetisch veld toe op de hersenen waardoor de magnetisatie van de deeltjes snel omslaat, warmte genereren. Die warmte stimuleert dan de ionkanalen om te openen, depolariseren van de neuronen en veroorzaken dat ze vuren.

Met de nieuwe NIMH-financiering, Het onderzoeksteam van Pralle is van plan deze methode te testen op neuronen in de bulbus olfactorius, die in het voorste deel van de hersenen ligt en regelt hoe dieren geuren waarnemen.

specifiek, de wetenschappers zullen zien of ze de gelokaliseerde verwarming van de nanodeeltjes kunnen gebruiken om specifieke neuronen in de bulbus olfactorius te activeren, waardoor de muizen een bepaalde geur "ruiken", zelfs als er geen echte chemicaliën aanwezig zijn.

Terwijl neurowetenschappers zoeken naar betere manieren om de hersenen te onderzoeken, De methode van Pralle is bijzonder aantrekkelijk omdat magnetische velden in staat zijn om weefsels binnen te dringen zonder ze te beschadigen. Andere methoden voor het op afstand besturen van hersencellen zijn invasiever, inclusief een ultramoderne techniek waarbij een geïmplanteerde optische vezel wordt gebruikt om door licht geactiveerde ionenkanalen te stimuleren.

Het eerdere werk van Pralle aan magnetische nanodeeltjes werd ondersteund door het UB 2020 Interdisciplinair Research Development Fund, waarmee startgeld wordt verstrekt aan projecten met het potentieel om grotere, externe subsidies.

Die startfinanciering stelde Pralle en zijn medewerkers in staat een aantal studies af te ronden, waaronder een waarin ze magnetische nanodeeltjes hechtten aan cellen nabij de monding van C. elegans.

Toen de wetenschappers hun techniek op afstand gebruikten om de nanodeeltjes te verwarmen, de meeste wormen begonnen reflexmatig achteruit te kruipen in een poging om aan de hitte te ontsnappen toen de temperatuur 34 graden Celsius bereikte.

De universiteit voldoet volledig aan de mandaten van nationale en federale regelgevende instanties met betrekking tot het humane gebruik en de verzorging van proefdieren.