Nanotube-Sonde liefert die Sicht eines einzelnen Neurons auf die Gehirnaktivität

Ein winziger Speer aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen kann die interne elektrische Aktivität eines einzelnen Neurons untersuchen und den Forschern einen genaueren Einblick geben, wie Gehirnzellen auf Signale ihrer Nachbarzellen reagieren. Das Gehirn bei dieser Auflösung zu untersuchen, könnte für die Bemühungen, seine Funktion in neuen Details zu verstehen und zu kartieren, von entscheidender Bedeutung sein (siehe Why Obamas Brain-Mapping Project Matters ).

Anhaken: Eine mikroskopische Aufnahme zeigt eine neue Gehirnelektrode, die dünn und lang genug ist, um aus dem Inneren eines einzelnen Neurons aufzunehmen.

Die Neuronenharpunen sind nur 5 bis 10 Mikrometer breit und können eine lebende Zelle durchdringen, um elektrische Veränderungen im Zusammenhang mit neuronalen Signalen zu messen. In sezierten Schnitten von noch aktivem Gehirngewebe von Mäusen konnten Forscher der Duke University jeweils aus dem Inneren eines einzelnen Neurons aufzeichnen.

Unseres Wissens zeigt unser Papier die erste intrazelluläre Aufzeichnung mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen aus Wirbeltierneuronen, sagt Bruce Donald , Biochemiker und Informatiker an der Duke University und Autor der Studie, die in . veröffentlicht wurde Plus eins Am Mittwoch.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben viele wünschenswerte Eigenschaften für Gehirnaufzeichnungen, sagt Donald: Sie sind stark, sie sind mit Körpergewebe kompatibel und sie leiten den Strom gut. Aber frühere Geräte aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen waren zu kurz oder zu breit, um sich gut für die Aufnahme in Zellen zu eignen. Die von den Duke-Forschern gebauten Sonden waren jedoch etwa einen Millimeter lang und eigneten sich dazu, die elektrische Aktivität genauer zu überwachen als typische Glas- oder Metallelektrodenanordnungen.

Scharfes Ende: Die Neuroharpune kommt zu einem sehr feinen Punkt.

Das Team konnte kleine Veränderungen der elektrischen Aktivität in der Zelle erkennen – Veränderungen, die den Eingangssignalen entsprachen, die das Neuron von anderen Neuronen erhielt. Ein durchschnittliches kortikales Neuron kann Signale von etwa 10.000 anderen Neuronen empfangen, sagt Richard Mooney , Neurowissenschaftler an der Duke University und Autor der Studie. Diese erzeugen einzeln sehr kleine Signale, sagt er. Zusammen wird die Sammlung von Signalen vom empfangenden Neuron berechnet, wenn es entscheidet, ob gefeuert wird oder nicht.

Intrazelluläre Aufzeichnungen könnten nützlich sein, um die funktionellen Verbindungen zwischen Neuronen zu kartieren, ein Ziel der kürzlich gestarteten BRAIN-Initiative (siehe The Brain Activity Map ). Indem man in die Zelle schauen und kleine Spannungsänderungen messen kann, erhält man Zugang zu dem Netzwerk, das mit dieser Zelle kommuniziert, sagt Mooney.

Die Forscher verwendeten eine clevere Technik, um ihr Gerät zu bauen, sagt Takashi Kozai , ein Neuroingenieur, der nicht an der Studie beteiligt war. Ausgehend von der Spitze eines Wolframdrahts bauten sie eine lange nadelartige Sonde aus verschlungenen Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf. Dann beschichteten sie die Sonde mit einem isolierenden Material und benutzten einen fokussierten Ionenstrahl, um die Spitze zu bombardieren, die Isolierung von diesem Bereich zu entfernen und sie zu einer feinen Spitze zu rasieren.

Mit dieser Technik können Sie [Sonden] so lange machen, wie Sie möchten, sagt Kozai, der auch mikroskopische Elektroden zur Aufzeichnung der Neuronenaktivität entwickelt (siehe A Carbon Microthread That Makes Contact with the Mind ). Die Arbeit bereitet die Bühne für die Herstellung noch schmalerer Geräte, vielleicht in der Größenordnung von 100 Nanometern statt Mikrometern, sagt er.

Zusätzlich zu sezierten Hirnschnitten testete das Team ihre dünne Elektrode an narkotisierten Mäusen, obwohl sie keine Aufzeichnungen aus dem Inneren der Gehirnzellen dieser Tiere erhalten konnten. Wenn zukünftige Versionen der Nanoröhrenspitze jedoch noch schärfer sind, könnten sie Zellen in weichen und schwammigen Gehirnen möglicherweise besser durchdringen, sagt Kozai. Wenn dies möglich ist und das Gerät in lebenden Gehirnen im Laufe der Zeit stabil ist, könnte es den Forschern helfen, zu untersuchen, wie das lebende Gehirn lernt und sich erinnert.

Wenn sie von derselben Zelle in Längsrichtung stabil aufzeichnen können, so Kozai, könnte dies angewendet werden, um zu kartieren, wie sich Neuronen während der Gedächtnisbildung und des Lernens verändern.

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