Forskare har utvecklat nanoskala sensorer som kan injiceras i kroppen för att icke -invasivt spåra hjärnaktivitet med hjälp av ljus. Tillvägagångssättet kan en dag erbjuda ett nytt sätt att studera hjärnan eller bedöma patienters hjärnfunktion utan behov av kirurgi eller implanterade enheter.

A. Ali Yanik från University of California, Santa Cruz, kommer att rapportera om tekniken, kallas NeuroSWARM ³ , vid den virtuella OSA Imaging and Applied Optics Congress hölls 19-23 juli. Yaniks presentation är planerad till tisdag.

"NeuroSWARM ³ kan omvandla de signaler som följer tankar till fjärrmätbara signaler för högprecision mellan hjärnmaskin och maskin, "sa Yanik." Det kommer att göra det möjligt för personer som lider av fysiska funktionsnedsättningar att effektivt interagera med omvärlden och styra bärbar exoskeletsteknik för att övervinna kroppens begränsningar. Det kan också få tidiga signaturer av neurala sjukdomar. "

Metoden erbjuder ett nytt sätt att övervaka elektrisk aktivitet i hjärnan med hjälp av en system-på-nanopartikelsond som är jämförbar i storlek med en viral partikel. Neuroner använder elektriska signaler för att överföra information till varandra, gör dessa signaler avgörande för tanken, minne och rörelse. Även om det finns många etablerade metoder för att spåra hjärnans elektriska aktivitet, de flesta kräver kirurgi eller implanterade enheter för att tränga in i skallen och kontakta direkt med neuroner.

Forskarna namngav sin nya teknik Neurophotonic Solution-dispersible Wireless Activity Reporters för massivt multiplexerade mätningar, eller NeuroSWARM ³ .

Tillvägagångssättet innebär att man introducerar konstruerade elektroplasmoniska nanopartiklar i hjärnan som omvandlar elektriska signaler till optiska signaler, tillåter hjärnaktivitet att spåras med en optisk detektor från utsidan av kroppen.

Nanopartiklarna består av en kiseloxidkärna som mäter 63 nanometer över med ett tunt lager av elektrokromiskt laddad poly (3, 4-etylendioxitiofen) och en guldbeläggning 5 nanometer tjock. Eftersom deras beläggning gör att de kan passera blod-hjärnbarriären, de kan injiceras i blodomloppet eller direkt i cerebrospinalvätskan.

En gång i hjärnan, nanosensorerna är mycket känsliga för lokala förändringar i det elektriska fältet. I laboratorietester, in vitro -prototyper av NeuroSWARM ³ kunde generera ett signal-brusförhållande på över 1, 000, en känslighetsnivå som är lämplig för att detektera den elektriska signalen som genereras när en enda neuron avfyras.

"Vi var banbrytande för användningen av elektrokroma polymerer (t.ex. PEDOT:PSS), för optisk (trådlös) detektion av elektrofysiologiska signaler, "Tillade Yanik." Elektrokroma material med optiska egenskaper som kan reversibelt moduleras av ett externt fält används konventionellt för smarta glas/spegelapplikationer. "

NeuroSWARM ³ kan ses som en nanoskala elektrokromiskt laddad plasmonisk antenn som drivs i omvänd riktning:istället för att applicera en känd spänning, dess optiska egenskaper moduleras av de spikande elektrogene cellerna i dess närhet. Därav, NeuroSWARM ³ ger en bioelektrisk signaldetekteringsfunktion på långt fält i en enda nanopartikelanordning som förpackar trådlös strömförsörjning, elektrofysiologisk signaldetektering och dataöverföring till nanoskala dimensioner.

De optiska signalerna som genereras av NeuroSWARM ³ partiklar kan detekteras utanför hjärnan med hjälp av nära-infrarött ljus med våglängder mellan 1, 000-1, 700 nm. Nanopartiklarna kan fungera på obestämd tid utan att behöva en strömkälla eller kablar.

Andra forskare har undersökt ett liknande tillvägagångssätt med hjälp av kvantpunkter som är utformade för att svara på elektriska fält. Att jämföra de två teknikerna, forskarna hittade NeuroSWARM ³ genererar en optisk signal som är fyra storleksordningar större. Kvantprickar krävde tio gånger högre ljusintensitet och hundra gånger fler sonder för att generera en jämförbar signal.

"Vi är bara i början av denna nya teknik, men jag tror att vi har en bra grund att bygga på, "sa Yanik." Vårt nästa mål är att starta djurförsök. "

Förutom Yanik, medförfattarna till denna studie inkluderar UCSC-studenter Neil Hardy, Ahsan Habib, och forskare Tanya Ivanov.