Forskare vid UCLA och Columbia University har utvecklat en ny metod för att spåra aktiviteten hos små molekyler i hjärnan, inklusive signalsubstanserna serotonin och dopamin. Para ihop små artificiella receptorer med halvledarenheter som kan fungera i levande vävnad, teamet kunde observera hjärnkemikalier på en hög detaljnivå.

Forskningen, publiceras i tidskriften Vetenskap , är en del av BRAIN Initiative, ett storskaligt samarbete mellan myndigheter, privat industri, ideella organisationer, och många högskolor och universitet.

"Att förstå grunderna för hur neurotransmission uppstår kommer att hjälpa oss att förstå inte bara hur våra hjärnor fungerar, men vad händer med psykiatriska störningar, " sa Andrews. "För att gå vidare med dramatiskt bättre behandlingar, vi måste förstå hur vi kodar information om ångest eller humör – processer som kan gå snett, ibland med förödande konsekvenser."

"Idén till detta projekt började för 20 år sedan, " sa ledande forskare Anne M. Andrews, professor i psykiatri och kemi vid UCLA. "Det föddes ur ett kritiskt behov i min egen forskning om serotonin. Min grupp använde toppmodern in vivo-övervakning - men det blev uppenbart för mig att det inte skulle räcka att förbättra metoderna i handen för att tillhandahålla nödvändig lösning. Vi behövde en helt ny avkänningsstrategi." Detta ledde till samarbete med Paul Weiss, professor i kemi och materialvetenskap vid UCLA.

Andrews föreställde sig att koppla artificiella receptorer med en nanoskala signaleringsplattform. Ett stort hinder, dock, var att de nödvändiga transistorerna, som är grundläggande enheter av datorer och mobiltelefoner, och behövs för att bearbeta en signal, fungerar inte bra i vått, salta miljöer.

"Arbetshästen för alla transistorer är halvledaren, " sa Andrews. "Men när du lägger den i saltvatten, saltjonerna – laddade atomer – radas upp på halvledarytan, och skydda den, förhindrar detektering av elektriska fältförändringar. Frågan var, "Hur kan vi utnyttja den kraftfulla vetenskapen och känsligheten hos befintliga transistorer för att använda dem i högsaltmiljöer som hjärnan?" "Ett samarbete med Yang Yang, en professor i materialvetenskap vid UCLA, försett teamet med högpresterande halvledarmaterial i nanoskala.

Att se till naturen är ibland mer effektivt än att ta fram helt nya metoder, sa Andrews. Så hon slog sig ihop med professor Milan Stojanovi? och Dr Kyung-Ae Yang, både Columbia, som använde nukleinsyrasekvenser som receptorer. En fördel med dessa biomolekyler är att de är mindre än skrymmande proteinreceptorer som används av inhemska celler och andra utredare för biosensorer.

"Vårt genombrott var att vi använde en annan sorts receptor som var biologiskt inspirerad - trots allt, livet började med RNA, " sade Andrews. Columbia-utredarna utvecklar nukleinsyrasekvenser som fungerar som receptorer, kallas aptamer, som är tillräckligt små för att någon del är nära halvledarytor. Och i detta, vi har övervunnit problemet med "saltavskärmning".

I den nya tidningen, teamet har framgångsrikt identifierat och testat receptorer för serotonin, dopamin, och glukos. Receptorerna visade sig vara extremt selektiva, binder endast de molekyler de var designade för att binda. Systemet var framgångsrikt även i levande hjärnvävnad från möss.

Metoden är universell, så det kan användas för nästan alla mål – att lära sig, till exempel, hur droger förändras med tiden i hjärnan eller andra organ, hur blodtrycket regleras, och hur signalmolekyler associerade med tarmmikrobiomet ebb och flöde.

Andrews huvudsakliga intresse ligger fortfarande hos neurotransmittorer. "Vi har för närvarande inga metoder för att studera signalering av signalsubstanser på de skalor över vilka information kodas, ", sa Andrews. "Så dessa sensorer kommer att tillåta oss att närma oss kritiska dimensioner. Ett mål är att i slutändan ta reda på hur hjärnor bearbetar information genom olika neurotransmittorer." Fynden har konsekvenser inte bara för att observera hur neurokemikalier verkar under normala förhållanden, men också för att förstå psykiatriska tillstånd som depression och ångest.

Teamet testar nu strategin för att titta på neurokemikalier i hjärnan på djur som beter sig.