Onderzoek biologen, scheikundigen en theoretici van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL), zijn op schema om de volgende generatie functionele materialen te ontwikkelen waarmee de complexe neurale verbindingen in de hersenen in kaart kunnen worden gebracht. Het uiteindelijke doel is om beter te begrijpen hoe de miljarden neuronen in de hersenen met elkaar communiceren tijdens een normale hersenfunctie, of disfunctie, als gevolg van letsel of ziekte.

"Er is een enorme interesse in het in kaart brengen van alle neuronverbindingen in het menselijk brein, " zei Dr. James Delehanty, onderzoeksbioloog, Centrum voor Biomoleculaire Wetenschap en Engineering. "Daarvoor hebben we nieuwe hulpmiddelen of materialen nodig waarmee we kunnen zien hoe grote groepen neuronen met elkaar communiceren terwijl, tegelijkertijd, zich kunnen concentreren op de activiteit van een enkel neuron. Ons meest recente werk opent mogelijk de integratie van spanningsgevoelige nanomaterialen in levende cellen en weefsels in verschillende configuraties om realtime beeldvormingsmogelijkheden te bereiken die momenteel niet mogelijk zijn."

De basis van neuroncommunicatie is de tijdsafhankelijke modulatie van de sterkte van het elektrische veld dat over het plasmamembraan van de cel wordt gehandhaafd. Dit wordt een actiepotentiaal genoemd. Onder de nanomaterialen die worden overwogen voor toepassing in neuronale actiepotentiaalbeeldvorming, zijn quantum dots (QD's) - kristallijne halfgeleider nanomaterialen die een aantal voordelige fotofysische eigenschappen bezitten.

"QD's zijn zeer helder en fotostabiel, dus je kunt er lang naar kijken en ze maken weefselbeeldvormingsconfiguraties mogelijk die niet compatibel zijn met de huidige materialen, bijvoorbeeld, organische kleurstoffen, "Delehanty toegevoegd. "Even belangrijk, we hebben hier laten zien dat QD-helderheid tracks, met zeer hoge betrouwbaarheid, de in de tijd opgeloste elektrische veldsterkteveranderingen die optreden wanneer een neuron een actiepotentiaal ondergaat. Hun grootte op nanoschaal maakt ze tot ideale materialen voor spanningsdetectie op nanoschaal voor interactie met neuronen en andere elektrisch actieve cellen voor spanningsdetectie."

QD's zijn klein, Helder, fotostabiele materialen met een fluorescentielevensduur van nanoseconden. Ze kunnen worden gelokaliseerd in of op cellulaire plasmamembranen en hebben een lage cytotoxiciteit wanneer ze worden gekoppeld aan experimentele hersensystemen. Aanvullend, QD's bezitten twee-foton-actie dwarsdoorsnede orden van grootte groter dan organische kleurstoffen of fluorescerende eiwitten. Beeldvorming met twee fotonen is de geprefereerde beeldvormingsmodaliteit voor beeldvorming diep (millimeters) in de hersenen en andere weefsels van het lichaam.

In hun meest recente werk de NRL-onderzoekers toonden aan dat een elektrisch veld dat typisch is voor dat in neuronale membranen, resulteert in onderdrukking van de QD-fotoluminescentie (PL) en, Voor de eerste keer, dat QD PL in staat is om het actiepotentiaalprofiel van een afvurend neuron te volgen met een tijdresolutie van milliseconden. Er is aangetoond dat dit effect verband houdt met door een elektrisch veld aangestuurde QD-ionisatie en de daaruit voortvloeiende QD PL-quenching, in tegenspraak met de conventionele wijsheid dat onderdrukking van de QD PL te wijten is aan het kwantumbeperkte Stark-effect - het verschuiven en splitsen van spectraallijnen van atomen en moleculen als gevolg van de aanwezigheid van een extern elektrisch veld.

"De inherente superieure fotostabiliteitseigenschappen van QD's in combinatie met hun spanningsgevoeligheid kunnen voordelig zijn voor beeldvorming op lange termijn die momenteel niet haalbaar is met traditionele organische spanningsgevoelige kleurstoffen, " zei Delehanty. "We verwachten dat voortgezet onderzoek het rationele ontwerp en de synthese van spanningsgevoelige QD-sondes zal vergemakkelijken die kunnen worden geïntegreerd in een verscheidenheid aan beeldvormingsconfiguraties voor de robuuste functionele beeldvorming en detectie van elektrisch actieve cellen."