Бриллианты раскрывают неврологические секреты

Мозг, возможно, является одной из самых сложных структур в известной Вселенной.

Непрерывный прогресс в нашем понимании мозга и наша способность эффективно лечить ряд неврологических заболеваний зависят от изучения нейронных микросхем мозга во все возрастающих деталях.

Один класс методов изучения нейронных цепей называется Напряжение Фотография. Эти технологии позволяют нам видеть напряжение, генерируемое нейронами в нашем мозгу, — они рассказывают нам, как сети нейронов развиваются, функционируют и меняются с течением времени.

Сегодня визуализация напряжения культивируемых нейронов выполняется с использованием плотных массивов электродов, на которых выращиваются (или имплантируются) клетки, или путем применения светоизлучающих красителей, которые оптически реагируют на изменения напряжения на поверхности клетки.

Но уровень детализации, который мы можем увидеть с помощью этих методов, ограничен.

Самые маленькие электроды не могут надежно различить отдельные нейроны, диаметр которых составляет около 20 миллионных долей метра, не говоря уже о густой сети наносоединений, образующихся между ними, и за более чем два десятилетия в этой области не было достигнуто значительного технического прогресса.

Кроме того, для каждого электрода требуется собственное проводное соединение и усилитель, что накладывает значительные ограничения на количество электродов, которые можно измерять одновременно.

Красители могут преодолеть эти ограничения путем беспроводной передачи напряжения в виде света, а это означает, что сложная электроника может быть размещена далеко от ячеек внутри камеры.

Результатом является высокое разрешение на больших площадях, позволяющее различать каждый отдельный нейрон в большой сети. Но и здесь есть ограничения, отклики напряжения на новейшие красители медленные и нестабильные.

Наше последнее исследование было опубликовано в Фотоника природыисследует новый тип высокоскоростной масштабируемой платформы визуализации напряжения с высоким разрешением, созданной с целью преодоления этих ограничений, — микроскоп для визуализации напряжения алмаза.

В устройстве, разработанном группой физиков из Мельбурнского университета и Университета RMIT, используется датчик на основе алмаза, который преобразует сигналы напряжения на своей поверхности непосредственно в световые сигналы, то есть мы можем видеть. электрическая активность как это происходит.

Преобразование использует свойства дефекта атомного масштаба в кристаллической структуре алмаза, известного как вакуум азота (NV).

Дефекты NV можно создать путем бомбардировки алмаза пучком ионов азота с использованием специального типа ускорителя частиц. Изготовление датчиков начинается с использования этого процесса для создания сверхтонкого слоя NV-дефектов высокой плотности вблизи поверхности алмаза.

Вы можете думать о каждом дефекте NV как о ведре, которое содержит до двух электронов. Когда это ведро пусто, дефект NV темный. Дефект NV с одним электроном излучает оранжевый свет при освещении лазером — это свойство известно как флуоресценция. При наличии двух электронов цвет флуоресценции становится красным.

а NV Обнаружен дефект заключается в том, что количество удерживаемых ими электронов и результирующая флуоресценция могут контролироваться электрическим напряжением. В отличие от красителей, реакция NV-дефекта по напряжению очень быстра и стабильна.

Наше исследование направлено на решение задачи сделать этот эффект достаточно чувствительным для визуализации нейронной активности.

На поверхности алмаза кристаллическая структура заканчивается слоем толщиной в один атом, состоящим из атомов водорода и кислорода. Ближайшие к поверхности NV-дефекты наиболее чувствительны к изменениям напряжения вне алмаза, но они также очень чувствительны к атомной структуре поверхностного слоя.

Так много водорода и NV настолько темны, что световые сигналы, которые мы ищем, не видны. Так мало водорода и NV настолько ярки, что маленькие сигналы, которые мы ищем, просто исчезают.

Итак, существует «золотая зона» для визуализации напряжения, где поверхность содержит нужное количество водорода.

Чтобы получить доступ к этой области, наша команда разработала электрохимический метод контролируемого удаления водорода. Таким образом, мы смогли добиться чувствительности по напряжению, которая в 2 раза лучше, чем сообщалось ранее.

Мы протестировали датчик в соленой воде, используя микроскопическую проволоку в десять раз тоньше человеческого волоса. При подаче тока проволока может создать небольшое облако заряда в воде над алмазом. Формирование и последующая диффузия этого облака заряда приводит к небольшим напряжениям на поверхности алмаза.

Захватив эти напряжения с помощью высокоскоростной записи флуоресценции NV, мы можем определить скорость, чувствительность и разрешение нашего среза изображения алмаза.

Мы смогли еще больше повысить чувствительность, придав поверхности алмаза форму «наностолбиков» — конических структур с NV-центрами, встроенными на их концах. Эти столбы отклоняют свет, излучаемый НВ, в сторону камеры, что значительно увеличивает количество сигнала, который мы можем собрать.

С разработкой алмазного микроскопа для визуализации активности нейронов следующим шагом будет запись активности нейронов, культивируемых в лаборатории — это эксперименты с клетками, выращенными вне их нормального биологического контекста, известного как пробирка или чашка Петри. эксперимент.

Что отличает этот метод от новейших в лаборатории, так это сочетание высокого пространственного разрешения (порядка миллионных долей метра или меньше), большого пространственного масштаба (несколько миллиметров в каждом направлении — такова сеть нейронов у млекопитающих). очень обширна), и полная стабильность к тому времени.

Никакая другая система не может обеспечить эти три качества одновременно, и именно это сочетание позволит технологии «Сделано в Мельбурне» внести ценный вклад в работу нейробиологов и нейрофармакологов во всем мире.

Наша система поможет этим исследователям получить базовые знания и новое поколение методов лечения неврологических и нейродегенеративных заболеваний.