Optisk teknik som kan användas för att modulera neuronal aktivitet öppnar spännande möjligheter för forskning inom neurovetenskap och biologi. Optiska verktyg tillåter neurovetenskapare att excitera och hämma neuroner eller områden i hjärnan efter behag. De kan således användas för att undersöka funktionen hos specifika hjärnkretsar eller regioner, samt att identifiera nya potentiella behandlingar för neurologiska och psykiatriska sjukdomar.

Generationen av bundna azobensenfotograferingar som är riktade mot membranbaserade lager eller kopplade till jonkanaler är en banbrytande optisk teknik som ytterligare kan hjälpa studien av den mänskliga hjärnan. Denna teknik, dock, särskilt när den används vid höga ljusintensiteter, kan leda till en avsevärd temperaturökning och kan därmed vara skadligt för neuroner vid upprepad användning.

För att övervinna denna begränsning, forskare vid Italian Institute of Technology (IIT) i samarbete med Politecnico di Milano, har nyligen skapat en ny ljuskänslig azobensenförening, kallad Ziapin2, som kan användas för att bygga fotohäxor som inte ökar i temperatur vid bestrålning med synligt ljus. Denna nya förening, presenteras i ett papper publicerat i Naturnanoteknik , skiljer sig in i plasmamembranet med hög stabilitet, möjliggör dess gallring och ökad kapacitans vid konstant tillstånd.

"Vår studie inspirerades (eller bioinspirerad) av två observationer, "Guglielmo Lanzani, en av forskarna som genomförde studien, berättade TechXplore. "Den första är att i stort sett fångar upp ljus i levande celler med hjälp av fotokroma molekyler (t.ex. retinal i fotoreceptorer i näthinnan). Den andra är att störning av neuronmembranet och särskilt en förändring av elektrisk kapacitans (förmågan att lagra laddningar) leder till cell excitation, som observerats genom att värma upp cellen. "

Fotokroma molekyler, såsom azobensenföreningen som konstruerats av Chiara Bertarelli, Guglielmo Lanzani och Fabio Benfenati, kan ändra form efter att de absorberar ljus. Denna förändring påverkar också några av deras egenskaper, inklusive deras steriska hinder (dvs. volymen de upptar), färg och elektriska egenskaper.

När den appliceras på ett membran, denna egenskap tillåter fotokroma molekyler att fungera som mekaniska omkopplare eller fjädrar, modulera membranets tjocklek vid absorbering av ljus och därmed ändra dess elektriska kapacitans. Detta möjliggör i sin tur en rad fenomen, slutligen leder till en åtgärdspotential hos neuroner.

"De metoder som används i vår studie tillät oss att få en icke-termisk stimuleringsmekanism för att inducera ljuskänslighet i levande celler och vävnad, "Lanzani förklarade." Vår metod är också icke-genetisk (undviker genterapi) och icke-kovalent (undviker permanenta kemiska modifieringar av cellen). Med andra ord, det är ett minimalt invasivt verktyg. "

När de applicerade millisekundpulser av synligt ljus på neuroner laddade med föreningen de skapade, Benfenati, Lanzani och deras kollegor observerade en resulterande övergående hyperpolarisering, kort följt av en fördröjd depolarisering som slutligen utlöste avfyrning av åtgärdspotentialer. Dessa effekter befanns vara bestående och forskarna kunde framkalla dem in vivo i upp till sju dagar i rad.

"Huvudresultatet av vår studie är att vi kunde stimulera neuroner utan optogenetiska manipulationer och utan att direkt störa membranjonkanaler, "Benfenati berättade för TechXplore." Vi gjorde detta bara genom att föranleda en övergående deformation av membranet som gör neuroner elektriskt mer stabila i mörkret och frigörs under ljusstimulering, framkalla handling potentiell eldning. "

Ziapin2, föreningen som introducerades av Lanzani, Benfenati, Bertarelli och deras kollegor, möjliggör modulering av membranets elektriska kapacitans i millisekundens tidsskala, utan att förändra temperaturen. I framtiden, den kan användas för att utveckla fotocentrar för neurovetenskaplig forskning som är mindre skadliga för neuroner.

"Våra planer för vidare forskning är tvåfaldiga, "Sa Benfenati." Å ena sidan, vi planerar att öka tillämpningen av Ziapin för att excitera näthinnekretsar i experimentella modeller av näthinnedegeneration eller utmana sjuka hjärnkretsar. På andra sidan, vi letar efter Ziapin -varianter som är mer vattenlösliga (och därmed kan administreras säkrare) och som stannar kvar i membranet under längre tid. "

© 2020 Science X Network