新型纳米探针有望用于神经活动的光学监测
加州大学圣克鲁斯分校的研究人员开发了超灵敏的纳米级光学探针，用于监测神经元和其他可兴奋细胞的生物电活动。这种新颖的读出技术可以使科学家通过同时监测大量单个神经元来研究神经回路是如何以前所未有的规模运行的。它还可能导致高带宽的脑机接口，具有显著提高的精度和功能。
监测神经元的电活动通常使用微电极阵列，但这些很难大规模实施，并且提供有限的空间分辨率。此外，据加州大学圣克鲁兹分校电气和计算机工程助理教授Ali Yanik说，读取所需的电子线路是微电极的主要限制。
“电子线路极其有限的带宽是由电子的本质造成的瓶颈，”亚尼克说。“我们转向光子，因为光提供了数十亿倍的增强多路复用和信息传输能力，这与电信行业转向光子的原因相同光纤．通过将生物电信号转换为光子，我们将能够以光学方式传输大带宽的神经活动。”
Yanik在UCSC巴斯金工程学院的实验室，与圣母大学的合作者合作，开发了细胞外纳米探针，使电生理信号的超灵敏光学监测成为可能。其他光学监测技术需要基因改造，将荧光分子插入细胞膜，这就排除了它们在人体中的应用。
Yanik的方法类似于细胞外微电极技术，除了读取机制是光学的，探针具有纳米尺寸。此外，它比基于荧光的探针产生更亮的信号和更高的信噪比。
利用光无与伦比的多路复用和信息承载能力来解剖神经回路和解密电生理信号一直是神经科学家近50年来的目标。我们可能终于找到了一种方法，”亚尼克说。
这项新技术发表在10月18日的一篇论文中科学的进步．亚尼克实验室的博士生阿赫桑·哈比卜(Ahsan Habib)是这篇论文的第一作者。
虽然这项技术仍处于发展的早期阶段，但亚尼克表示，它可以为广泛的应用打开大门。他说，最终，这可能会导致强大的脑机接口，为残疾人开发新的脑控制假肢技术。
Yanik的光学纳米探针是纳米级器件(直径小于100纳米)，基于一种新型金属天线结构，再加上一种名为PEDOT的生物相容性聚合物。这种聚合物是“电致变色的”，这意味着它的光学性质会随着局部电场的变化而变化。该天线是一种“等离子纳米天线”，这意味着它利用了光和物质的纳米级相互作用，类似于无线电天线。其结果是一种“电等离子体纳米天线”，能够以极高的灵敏度提供可靠的局部电场动态光学检测。
亚尼克解释说:“这种电等离子体纳米天线的共振频率会随着电场的变化而变化，当我们用光照射它时，我们可以看到这一点，所以我们可以远程读取信号。”
研究人员进行了一系列的实验室实验来表征和优化电等离子体纳米天线的性能。然后，他们测试了它在心肌细胞(心肌细胞，像神经元一样，可以产生电脉冲)细胞培养中监测电生理信号的能力。结果表明，心肌细胞电活动的实时、全光学检测，具有高信噪比。
除了不需要基因操作之外，这种技术相对于荧光探针的优点还包括所需的光强度非常低，比用于荧光电压探针的典型光强度低两到三个数量级。此外，荧光分子容易漂白并产生破坏性的氧自由基。
亚尼克描述了两种可能的方法，利用光学纳米探针来监测包括人类在内的活体动物的神经活动。这种探针可以与光纤集成到一个灵活的生物相容性植入物中，或者它们可以被合成为悬浮在胶体溶液中的纳米颗粒，表面附着蛋白质，使探针能够与特定的细胞类型结合。
Yanik说:“使用基于溶液的系统，你可以将其注入血液或器官，纳米探针附着在你想监测的特定细胞类型上。”“我们只是处于起步阶段，但我认为我们有一个良好的基础。”
在活体动物中使用神经探针的一个重要考虑因素是体内对外来物质的固有免疫反应。先前的研究表明，用生物相容性PEDOT聚合物涂覆电极可显著提高微加工神经假体装置的长期性能。植入物的大小也会影响免疫反应。
“关键的特征尺寸是10到15微米。最近的研究表明，较小尺寸的植入物会大大降低固有的免疫反应，”哈比卜说。“从这个意义上说，我们的纳米尺寸的pedot涂层探针对长期操作特别有利。”
