Ons huidige begrip van hoe de hersenen werken is zeer slecht. De elektrische signalen reizen door de hersenen en door het hele lichaam, en de elektrische eigenschappen van de biologische weefsels worden bestudeerd met behulp van elektrofysiologie. Voor het verwerven van een grote amplitude en een hoge kwaliteit van neuronale signalen, intracellulaire opname is een krachtige methode in vergelijking met extracellulaire opname om de spanning of stroom over de celmembranen te meten. Op nanodraad en nanobuisjes gebaseerde apparaten zijn ontwikkeld voor intracellulaire opnametoepassingen om de voordelen van deze apparaten met een hoge ruimtelijke resolutie en hoge gevoeligheid aan te tonen.

Echter, de lengte van deze nanodraad/nanobuis-elektrode-apparaten is momenteel beperkt tot minder dan 10 µm vanwege procesproblemen die optreden tijdens de fabricage van nanoschaal-apparaten met een hoge beeldverhouding, die meer dan 10 µm lang zijn. Dus, conventionele nanodevices zijn niet toepasbaar op neuronen/cellen in dikke biologische weefsels, inclusief hersenschijfjes en hersenen in vivo.

Een onderzoeksteam van het Department of Electrical and Electronic Information Engineering en het Electronics-Inspired Interdisciplinary Research Institute (EIIRIS) van de Toyohashi University of Technology heeft driedimensionale microneed?e-gebaseerde nanoschaal-getipte elektroden (NTE's) ontwikkeld die langer zijn dan 100 µm. De naaldlengte overschrijdt die van de conventionele op nanodraad/nanobuisjes gebaseerde intracellulaire apparaten, waardoor het scala aan toepassingen van nanodevices in intracellulaire opname wordt uitgebreid, zoals diepe weefselpenetratie. Aanvullend, ze voeren intracellulaire opnames uit met behulp van spiercellen.

"Een technologische uitdaging in de elektrofysiologie zijn intracellulaire opnames in een dik biologisch weefsel. Bijvoorbeeld, een naaldlengte van meer dan 40 µm is nodig voor het uitvoeren van experimenten met hersenschijfjes. Echter, het is bijna onmogelijk om naalden met een diameter van nanoschaal te penetreren met een hoge beeldverhouding, vanwege de lange haarachtige nanostructuur die onvoldoende stijfheid heeft. Anderzijds, onze NTE, dat is een 120 µm lange kegelvormige elektrode, voldoende stijfheid heeft om weefsels en cellen te slaan", legt de eerste auteur promovendus uit, Yoshihiro Kubota.

De leider van het onderzoeksteam, Universitair hoofddocent Takeshi Kawano zei:"Hoewel we de voorlopige resultaten van ons NTE-apparaat hebben aangetoond, de batchfabricage van dergelijke intracellulaire elektroden, die een naaldlengte hebben van meer dan 100 µm, moet leiden tot een vooruitgang in de apparaattechnologieën. Dit zal uiteindelijk leiden tot realisatie van multisite, diepte-intracellulaire opnames voor biologische weefsels, inclusief hersenschijfjes en hersenen in vivo, die het vermogen van conventionele intracellulaire apparaten te boven gaan."

Zoals aangegeven door het onderzoeksteam, de NTE kan worden gebruikt in cellen die zich diep in een biologisch weefsel bevinden, inclusief hersenschijf en hersenen in vivo, waardoor het begrip van de hersenen wordt versneld.