Neurovetenskapsmän kan snart vara moderna harpunörer, fånga individuella hjärncellssignaler istället för valar med små spjut gjorda av kolnanorör.

Det nya hjärncellsspjutet är en millimeter långt, bara några nanometer bred och utnyttjar de överlägsna elektromekaniska egenskaperna hos kolnanorör för att fånga elektriska signaler från individuella neuroner.

"Så vitt vi vet, detta är första gången forskare har använt kolnanorör för att registrera signaler från individuella neuroner, vad vi kallar intracellulära inspelningar, i hjärnskivor eller intakta hjärnor hos ryggradsdjur, sa Bruce Donald, en professor i datavetenskap och biokemi vid Duke University som hjälpte till att utveckla sonden.

Han och hans medarbetare beskriver kolnanorörsonderna 19 juni in PLOS ETT .

"Resultaten är ett bra principbevis på att kolnanorör kan användas för att studera signaler från enskilda nervceller, " sa Duke neurobiolog Richard Mooney, en studie medförfattare. "Om tekniken fortsätter att utvecklas, det kan vara till stor hjälp för att studera hjärnan."

Forskare vill studera signaler från enskilda neuroner och deras interaktioner med andra hjärnceller för att bättre förstå hjärnans beräkningskomplexitet.

För närvarande, de använder två huvudtyper av elektroder, metall och glas, att registrera signaler från hjärnceller. Metallelektroder registrerar spikar från en population av hjärnceller och fungerar bra i levande djur. Glaselektroder mäter även spikar, såväl som de beräkningar som enskilda celler utför, men är ömtåliga och går lätt sönder.

"De nya kolnanorören kombinerar de bästa egenskaperna hos både metall- och glaselektroder. De registrerar bra både inuti och utanför hjärnceller, och de är ganska flexibla. För de kommer inte att splittras, forskare kan använda dem för att spela in signaler från enskilda hjärnceller från levande djur, " sa Duke neurobiolog Michael Platt, som inte var inblandad i studien.

Förr, andra forskare har experimenterat med kolnanorörsonder. Men elektroderna var tjocka, orsakar vävnadsskador, eller så var de korta, begränsar hur långt de kan tränga in i hjärnvävnaden. De kunde inte sondera inuti individuella neuroner.

För att ändra detta, Donald började arbeta på en harpunliknande kol-nanorörsond med Duke neurobiolog Richard Mooney för fem år sedan. De två träffades under sitt första år på Yale 1976, höll kontakten under hela forskarskolan och började träffas för att prata om sin forskning efter att de båda kom till Duke.

Mooney berättade för Donald om sitt arbete med att registrera hjärnsignaler från levande zebrafinkar och möss. Arbetet var utmanande, han sa, eftersom sonderna och maskineriet för att göra studierna var stora och skrymmande på det lilla huvudet på en mus eller fågel.

Med Donalds expertis inom nanoteknik och robotik och Mooneys inom neurobiologi, de två trodde att de kunde arbeta tillsammans för att krympa maskineriet och förbättra sonderna med nanomaterial.

För att göra sonden, Doktorand Inho Yoon och Duke-fysikern Gleb Finkelstein använde spetsen på en elektrokemiskt vässad volframtråd som bas och förlängde den med självtrasslade flerväggiga kolnanorör för att skapa en millimeterlång stav. Forskarna vässade sedan nanorören till en liten harpun med en fokuserad jonstråle vid North Carolina State University.

Yoon tog sedan nano-harpunen till Mooneys labb och stack in den i skivor av mushjärnvävnad och sedan in i hjärnan på sövda möss. Resultaten visar att sonden sänder hjärnsignaler såväl som, och ibland bättre än, konventionella glaselektroder och är mindre benägna att bryta av i vävnaden. Den nya sonden penetrerar också enskilda neuroner, registrerar signalerna från en enskild cell snarare än den närmaste populationen av dem.

Baserat på resultaten, teamet har ansökt om patent på nano-harpunen. Platt sa att forskare kan använda sonderna i en rad olika tillämpningar, från grundläggande vetenskap till människans hjärna-dator-gränssnitt och hjärnproteser.

Donald sa att den nya sonden gör framsteg i dessa riktningar, men isoleringsskikten, enhetens elektriska inspelningsförmåga och geometri behöver fortfarande förbättras.