Neuroner är hjärnceller som kommunicerar med varandra genom att skicka elektrokemiska signaler längs axoner. När en neuron är på väg att släppa en signal i form av en elektrisk laddning, det tillåter joner att passera genom sitt membran via jonkanaler. Denna jonöverföring skapar en elektrisk potentialskillnad mellan insidan och utsidan av cellen, och den skillnaden kallas membranpotentialen.

Ett team av forskare vid Laboratory for fundamental BioPhotonics (LBP) inom EPFLs School of Engineering (STI) har kommit på ett sätt att övervaka förändringar i membranpotential och att observera jonflöden genom att studera beteendet hos vattenmolekylerna som omger membranen i neuronerna. Forskarna, som framgångsrikt testat sin metod på in vitro musneuroner, har just publicerat sina fynd i Naturkommunikation .

Inga fler elektroder eller fluoroforer

En bättre förståelse av neurons elektriska aktivitet kan ge insikt i ett antal processer som sker i våra hjärnor. Till exempel, forskare kunde se om en neuron är aktiv eller vilar, eller om det svarar på läkemedelsbehandling. Ända tills nu, det enda sättet att övervaka neuroner var genom att injicera fluoroforer i, eller fästa elektroder på, den del av hjärnan som studeras - men fluoroforer kan vara giftiga, och elektroder kan skada neuronerna.

Nyligen, LBP-forskarna utvecklade ett sätt att spåra elektrisk aktivitet i neuroner helt enkelt genom att titta på interaktionerna mellan vattenmolekyler och neurala membran. "Neuroner är omgivna av vattenmolekyler, som ändrar orientering i närvaro av en elektrisk laddning, säger Sylvie Roke, direktör för LBP. "När membranpotentialen förändras, vattenmolekylerna kommer att omorientera-och vi kan observera det. "

I deras studie, forskarna förändrade neuronmembranpotentialen genom att utsätta neuronerna för ett snabbt inflöde av kaliumjoner. Detta fick jonkanalerna på neuronernas yta - som tjänar till att reglera membranpotentialen - att öppna och släppa igenom jonerna. Forskarna stängde sedan av flödet av joner, och neuronerna släppte ut jonerna som de hade plockat upp.

För att övervaka denna aktivitet, forskarna undersökte de hydrerade neuronala lipidmembranen genom att belysa cellerna med två laserstrålar med samma frekvens. Dessa strålar består av femtosekundlaserpulser - med teknik som Nobelpriset i fysik 2018 tilldelades - så att vattenmolekylerna på membranets gränssnitt genererar fotoner med en annan frekvens, känd som andraharmoniskt ljus.

"Vi ser både grundläggande och tillämpade implikationer av vår forskning. Det kan inte bara hjälpa oss att förstå mekanismerna som hjärnan använder för att skicka information, men det kan också tilltala läkemedelsföretag som är intresserade av in vitro -produkttester, ", tillägger Roke. "Och vi har nu visat att vi kan analysera en enda neuron eller valfritt antal neuroner åt gången."