Het vermogen om neuronen te targeten en te stimuleren, biedt tal van voordelen, waaronder een beter begrip van de hersenfunctie en de behandeling van neurologische ziekten. Momenteel, state-of-the-art micro-elektrode-arrays (MEA's) kunnen neuronen met hoge precisie stimuleren, maar ze missen celtypespecificiteit en vereisen invasieve implantatie die kan leiden tot weefselbeschadiging, denk aan stimulatoren die worden gebruikt om patiënten met tremoren te helpen. Hoogleraar Materiaalkunde en Engineering, en biomedische technologie, Tzahi Cohen-Karni en zijn team hebben nieuwe materialen onderzocht om fotostimulatie op afstand mogelijk te maken, of het gebruik van licht om cellen te stimuleren.

Cellen kunnen met elkaar "praten" door elektrische signalen te verzenden en te ontvangen. Binnen het membraan van een cel, een neuron in onze hersenen bijvoorbeeld, er zijn kleine poriën die ionenkanalen worden genoemd en die ionen in en uit de cel laten bewegen. Onder normale omstandigheden, de stromen van ionen over het membraan bepalen of een cel een elektrisch signaal naar zijn buren zal sturen. In recente jaren, onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om lichtpulsen te gebruiken om de eigenschappen van het celmembraan te veranderen en een elektrisch signaal op te wekken dat de cellulaire communicatie kan regelen. Het team van Cohen-Karni streeft naar het identificeren van materialen die effectief zijn in het controleren van celactiviteiten zonder angst te veroorzaken. Ze erkenden dat multidimensionaal grafeen (fuzzy grafeen) zich voordeed als een geweldige kandidaat voor cellulaire stimulatie, maar ontdekten dat sommige materialen moeilijk te produceren waren en niet genoeg licht konden absorberen om licht efficiënt om te zetten in warmte.

In zijn huidige onderzoek, gepubliceerd door de American Chemical Society, Cohen-Karni richtte zich op overgangsmetaalcarbiden/nitrides (MXenes) vlokken, een uniek tweedimensionaal (2D) nanomateriaal ontdekt door het team van Dr. Yury Gogotsi aan de Drexel University. Van MXenen is aangetoond dat ze uitstekende mechanische eigenschappen vertonen, hoge elektrische geleidbaarheid, uitstekende elektrochemische eigenschappen, en belangrijker nog, zijn gemakkelijk en goedkoop te produceren.

In plaats van het materiaal te bestuderen op zijn bulkeigenschappen, Het team van Cohen-Karni heeft de fotothermische eigenschappen van het materiaal gemeten op een enkel vlokniveau. Het team verspreidde vlokken op het oppervlak van het dorsale wortelganglion (DRG), cellen in het perifere zenuwstelsel, en verlichtte ze met korte lichtpulsen. Door de interface tussen cellen en materialen te bestuderen, het werd duidelijk dat vlokken niet door de cellen zouden worden geabsorbeerd en Cohen-Karni kon nauwkeurig de hoeveelheid licht meten die nodig is om cellulaire verandering teweeg te brengen.

"Wat echt uniek is aan de materialen die we in mijn laboratorium gebruiken, is dat we geen hoge energiepulsen hoeven te gebruiken om een ​​effectieve stimulatie te krijgen, " legde Cohen-Karni uit. "Door korte lichtpulsen op de DRG-MXene-interface te laten schijnen, we ontdekten dat de elektrofysiologie van de cel met succes was veranderd."

Dus wat betekent dit voor de toekomst van de neurologie? Met een beter begrip van het bereiken van neurale stimulatie en het gemak van MXene-productie, onderzoekers kunnen fotostimulatie op afstand efficiënter oefenen. Bijvoorbeeld, onderzoekers kunnen MXenes insluiten in kunstmatig weefsel dat is ontwikkeld in de vorm van hersenen, en vervolgens licht gebruiken om de neurale activiteit te beheersen en de rol van neuronen in de ontwikkeling van de hersenen verder bloot te leggen. Eventueel, dit materiaal kan zelfs worden gebruikt als een niet-invasieve behandeling voor neurale functiebeperkingen, zoals trillingen.

Andere teamleden die bij het onderzoek betrokken waren, waren onder meer de studenten Materials Science and Engineering Yingqaio Wang en Raghav Garg; Jane E. Hartung en Michael S. Gold van de Universiteit van Pittsburgh; Adam Goad en Dipna A. Patel van de Drexel University; en Flavia Vitale van de Universiteit van Pennsylvania en het Centrum voor Neurotrauma, neurodegeneratie, en Restauratie.