Neurowetenschappers kunnen binnenkort moderne harpoeniers zijn, individuele hersencelsignalen in plaats van walvissen strikken met kleine speren gemaakt van koolstofnanobuisjes.

De nieuwe hersencelspeer is een millimeter lang, slechts een paar nanometer breed en maakt gebruik van de superieure elektromechanische eigenschappen van koolstofnanobuisjes om elektrische signalen van individuele neuronen op te vangen.

"Voor zover we weten, dit is de eerste keer dat wetenschappers koolstofnanobuisjes hebben gebruikt om signalen van individuele neuronen op te nemen, wat we intracellulaire opnames noemen, in hersenschijfjes of intacte hersenen van gewervelde dieren, " zei Bruce Donald, een professor in informatica en biochemie aan de Duke University die hielp bij het ontwikkelen van de sonde.

Hij en zijn medewerkers beschrijven de koolstofnanobuisjes van 19 juni in PLOS EEN .

"De resultaten zijn een goed bewijs van het principe dat koolstofnanobuisjes kunnen worden gebruikt voor het bestuderen van signalen van individuele zenuwcellen, " zei Duke neurobioloog Richard Mooney, een studie co-auteur. "Als de technologie zich blijft ontwikkelen, het kan heel nuttig zijn voor het bestuderen van de hersenen."

Wetenschappers willen signalen van individuele neuronen en hun interacties met andere hersencellen bestuderen om de computationele complexiteit van de hersenen beter te begrijpen.

Momenteel, ze gebruiken twee hoofdtypen elektroden, metaal en glas, om signalen van hersencellen op te nemen. Metaalelektroden registreren pieken van een populatie hersencellen en werken goed bij levende dieren. Glaselektroden meten ook spikes, evenals de berekeningen die individuele cellen uitvoeren, maar zijn delicaat en breken gemakkelijk.

"De nieuwe koolstofnanobuisjes combineren de beste eigenschappen van zowel metalen als glazen elektroden. Ze nemen zowel binnen als buiten hersencellen goed op, en ze zijn vrij flexibel. Omdat ze niet versplinteren, wetenschappers zouden ze kunnen gebruiken om signalen van individuele hersencellen van levende dieren op te nemen, " zei Duke neurobioloog Michael Platt, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Vroeger, andere wetenschappers hebben geëxperimenteerd met sondes van koolstofnanobuisjes. Maar de elektroden waren dik, weefselbeschadiging veroorzaken, of ze waren kort, beperken hoe ver ze konden doordringen in hersenweefsel. Ze konden niet in individuele neuronen tasten.

Om dit te veranderen, Donald begon vijf jaar geleden te werken aan een harpoenachtige koolstof-nanobuissonde met Duke-neurobioloog Richard Mooney. De twee ontmoetten elkaar tijdens hun eerste jaar op Yale in 1976, hielden contact tijdens hun afstuderen en begonnen elkaar te ontmoeten om over hun onderzoek te praten nadat ze allebei bij Duke waren gekomen.

Mooney vertelde Donald over zijn werk dat hersensignalen registreerde van levende zebravinken en muizen. Het werk was uitdagend, hij zei, omdat de sondes en machines om de onderzoeken uit te voeren groot en omvangrijk waren op de kleine kop van een muis of vogel.

Met Donald's expertise in nanotechnologie en robotica en Mooney's in neurobiologie, de twee dachten dat ze konden samenwerken om de machines te verkleinen en de sondes te verbeteren met nanomaterialen.

Om de sonde te maken, afgestudeerde student Inho Yoon en Duke-fysicus Gleb Finkelstein gebruikten de punt van een elektrochemisch geslepen wolfraamdraad als basis en verlengden deze met zelfverstrengelde meerwandige koolstofnanobuizen om een ​​millimeterlange staaf te creëren. De wetenschappers hebben de nanobuisjes vervolgens geslepen tot een kleine harpoen met behulp van een gefocusseerde ionenstraal aan de North Carolina State University.

Yoon nam vervolgens de nano-harpoen mee naar het laboratorium van Mooney en prikte het in plakjes muishersenweefsel en vervolgens in de hersenen van verdoofde muizen. De resultaten laten zien dat de sonde zowel hersensignalen als en soms beter dan conventionele glaselektroden en zal minder snel afbreken in het weefsel. De nieuwe sonde dringt ook door in individuele neuronen, het opnemen van de signalen van een enkele cel in plaats van de dichtstbijzijnde populatie ervan.

Op basis van de resultaten, het team heeft patent aangevraagd op de nano-harpoen. Platt zei dat wetenschappers de sondes in een reeks toepassingen kunnen gebruiken, van basiswetenschap tot mens-hersen-computerinterfaces en hersenprothesen.

Donald zei dat de nieuwe sonde vorderingen maakt in die richtingen, maar de isolatielagen, elektrische opnamemogelijkheden en geometrie van het apparaat moeten nog worden verbeterd.