Machines worden gezellig met onze cellen. Insluitbare sensoren registreren hoe en wanneer neuronen vuren; elektroden vonken hartcellen om te slaan of hersencellen om te vuren; neuronachtige apparaten zouden zelfs een snellere hergroei kunnen stimuleren na implantatie in de hersenen.

Spoedig, zogenaamde hersen-machine-interfaces zouden zelfs nog meer kunnen doen:symptomen van neurologische aandoeningen zoals de ziekte van Parkinson volgen en behandelen, een blauwdruk bieden voor het ontwerpen van kunstmatige intelligentie, of zelfs hersen-tot-hersencommunicatie mogelijk te maken.

Om het bereikbare en het quixotische te bereiken, apparaten hebben een manier nodig om letterlijk dieper in onze cellen te duiken om verkenningen uit te voeren. Hoe meer we weten over hoe neuronen werken, hoe meer we kunnen navolgen, repliceren, en behandel ze met onze machines.

Nutsvoorzieningen, in een paper gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , Charles M. Lieber, de Joshua en Beth Friedman Universiteitshoogleraar, presenteert een update van zijn originele apparaten op nanoschaal voor intracellulaire opname, de eerste nanotechnologie die is ontwikkeld om elektrisch gebabbel in een levende cel op te nemen. Negen jaar later, Lieber en zijn team hebben een manier ontworpen om duizenden van deze apparaten tegelijk te maken, een leger op nanoschaal creëren dat de inspanningen kan versnellen om erachter te komen wat er in onze cellen gebeurt.

Voorafgaand aan het werk van Lieber, vergelijkbare apparaten stonden voor een raadsel van Goudlokje:te groot, en ze zouden interne signalen opnemen, maar de cel doden. Te klein, en ze slaagden er niet in om het celmembraan te passeren - de opnamen werden luidruchtig en onnauwkeurig.

De nieuwe nanodraden van Lieber waren precies goed. Ontworpen en gerapporteerd in 2010, de originelen hadden een "V"-vormige punt op nanoschaal met een transistor aan de onderkant van de "V." Dit ontwerp kan celmembranen doorboren en nauwkeurige gegevens terugsturen naar het team zonder de cel te vernietigen.

Maar er was een probleem. De silicium nanodraden zijn veel langer dan breed, waardoor ze wiebelig en moeilijk te ruziën zijn. "Ze zijn zo flexibel als gekookte noedels, " zegt Anqi Zhang, een afgestudeerde student in het Lieber Lab en een van de auteurs van het nieuwste werk van het team.

Om de originele apparaten te maken, lableden moesten één nanodraadnoedel per keer verstrikken, vind elke arm van de "V, " en weven vervolgens de draden in het opnameapparaat. Een paar apparaten duurde 2 tot 3 weken om te maken. "Het was erg vervelend werk, " zegt Zhang.

Maar nanodraden worden niet één voor één gemaakt; ze zijn massaal gemaakt zoals de dingen waar ze op lijken:gekookte spaghetti. Met behulp van de nanocluster gekatalyseerde damp-vloeistof-vaste stof methode, waarmee Lieber de eerste nanodraden maakte, het team bouwt een omgeving waar de draden vanzelf kunnen ontkiemen. Ze kunnen de diameter en lengte van elke draad vooraf bepalen, maar niet hoe de draden eenmaal klaar zijn geplaatst. Hoewel ze duizenden of zelfs miljoenen nanodraden tegelijk laten groeien, het eindresultaat is een puinhoop van onzichtbare spaghetti.

Om de rommel te ontwarren, Lieber en zijn team ontwierpen een val voor hun losgekookte noedels:ze maken U-vormige sleuven op een siliciumwafel en kammen de nanodraden vervolgens over het oppervlak. Dit "kamproces" ontwart de rommel en zet elke nanodraad in een netjes U-vormig gat. Vervolgens, elke "U"-curve krijgt een kleine transistor, vergelijkbaar met de onderkant van hun "V" -vormige apparaten.

Met de "kammen" methode, Lieber en zijn team voltooien honderden nanodraad-apparaten in dezelfde tijd die ze gebruikten om er maar een paar te maken. "Omdat ze heel goed op elkaar zijn afgestemd, ze zijn heel gemakkelijk te controleren, "zegt Zhang.

Tot dusver, Zhang en haar collega's hebben de "U"-vormige apparaten op nanoschaal gebruikt om intracellulaire signalen op te nemen in zowel neurale als hartcellen in culturen. Bedekt met een stof die het gevoel van een celmembraan nabootst, de nanodraden kunnen deze barrière passeren met minimale inspanning of schade aan de cel. En, ze kunnen intracellulair gebabbel opnemen met hetzelfde precisieniveau als hun grootste concurrent:patch-clamp-elektroden.

Patchklemelektroden zijn ongeveer 100 keer groter dan nanodraden. Zoals de naam al doet vermoeden, het gereedschap klemt zich vast op het celmembraan, onomkeerbare schade veroorzaken. De patchklemelektrode kan een stabiele opname van de elektrische signalen in de cellen vastleggen. Maar, Zhang zegt, "na het opnemen, de cel sterft."

De "U"-vormige apparaten op nanoschaal van het Lieber-team zijn vriendelijker voor hun celgastheren. "Ze kunnen parallel in meerdere cellen worden geplaatst zonder schade aan te richten, "zegt Zhang.

Direct, de apparaten zijn zo zachtaardig dat het celmembraan ze na ongeveer 10 minuten opnemen naar buiten duwt. Om dit venster uit te breiden met hun volgende ontwerp, het team kan een beetje biochemische lijm aan de punt toevoegen of de randen opruwen zodat de draad tegen het membraan blijft haken.

De apparaten op nanoschaal hebben nog een voordeel ten opzichte van de patch-clamp:ze kunnen meer cellen parallel opnemen. Met de klemmen, onderzoekers kunnen slechts een paar celopnames tegelijk verzamelen. Voor deze studie is Zhang nam tot tien cellen tegelijk op. "Mogelijk, dat kan veel groter zijn, "zegt ze. Hoe meer cellen ze tegelijk kunnen opnemen, hoe meer ze kunnen zien hoe netwerken van cellen met elkaar omgaan, net als bij levende wezens.

Tijdens het schalen van hun nanodraadontwerp, het team bevestigde toevallig ook een al lang bestaande theorie, de krommingshypothese genoemd. Nadat Lieber de eerste nanodraden had uitgevonden, onderzoekers speculeerden dat de breedte van de punt van een nanodraad (de onderkant van de "V" of "U") de reactie van een cel op de draad kan beïnvloeden. Voor deze studie is het team experimenteerde met meerdere "U" -curven en transistorformaten. De resultaten bevestigden de oorspronkelijke hypothese:cellen als een smalle punt en een kleine transistor.

"De schoonheid van de wetenschap voor velen, inclusief onszelf, heeft zulke uitdagingen om hypothesen en toekomstig werk te stimuleren, " zegt Lieber. Met de schaalbaarheidsuitdaging achter hen, het team hoopt nog nauwkeurigere opnames te maken, misschien binnen subcellulaire structuren, en registreer cellen in levende wezens.

Maar voor Lieber, één hersenmachine-uitdaging is aantrekkelijker dan alle andere:"cyborgs tot realiteit brengen."