Forskningsbiologer, kemister och teoretiker vid U.S. Naval Research Laboratory (NRL), är på gång att utveckla nästa generation av funktionella material som kan möjliggöra kartläggning av de komplexa neurala kopplingarna i hjärnan. Det slutliga målet är att bättre förstå hur miljarder nervceller i hjärnan kommunicerar med varandra under normal hjärnfunktion, eller dysfunktion, till följd av skada eller sjukdom.

"Det finns ett enormt intresse för att kartlägga alla neuronkopplingar i den mänskliga hjärnan, " sa Dr James Delehanty, forskningsbiolog, Centrum för biomolekylär vetenskap och teknik. "För att göra det behöver vi nya verktyg eller material som gör att vi kan se hur stora grupper av neuroner kommunicerar med varandra medan, på samma gång, att kunna fokusera på en enskild neurons aktivitet. Vårt senaste arbete öppnar potentiellt integrationen av spänningskänsliga nanomaterial i levande celler och vävnader i en mängd olika konfigurationer för att uppnå realtidsavbildningsmöjligheter som för närvarande inte är möjliga."

Grunden för neuronkommunikation är den tidsberoende moduleringen av styrkan hos det elektriska fältet som upprätthålls över cellens plasmamembran. Detta kallas en handlingspotential. Bland de nanomaterial som övervägs för användning i neuronal aktionspotentialavbildning är kvantprickar (QDs) - kristallina halvledarnanomaterial som har ett antal fördelaktiga fotofysiska egenskaper.

"QDs är mycket ljusa och fotostabila så att du kan titta på dem under långa tider och de tillåter vävnadsavbildningskonfigurationer som inte är kompatibla med nuvarande material, till exempel, organiska färgämnen, " tillade Delehanty. "Lika viktigt, vi har visat här att QD-ljusstyrkan spårar, med mycket hög trohet, de tidsupplösta elektriska fältstyrkan förändringar som uppstår när en neuron genomgår en aktionspotential. Deras storlek i nanoskala gör dem till idealiska spänningsavkännande material i nanoskala för gränssnitt med neuroner och andra elektriskt aktiva celler för spänningsavkänning."

QDs är små, ljus, fotostabila material som har nanosekunders fluorescenslivslängder. De kan vara lokaliserade inom eller på cellulära plasmamembran och har låg cytotoxicitet när de ansluts till experimentella hjärnsystem. Dessutom, QDs har två-fotonverkan i tvärsnitt som är större än organiska färgämnen eller fluorescerande proteiner. Tvåfotonavbildning är den föredragna avbildningsmetoden för avbildning djupt (millimeter) in i hjärnan och andra vävnader i kroppen.

I deras senaste arbete, NRL-forskarna visade att ett elektriskt fält som är typiskt för de som finns i neuronala membran resulterar i undertryckande av QD-fotoluminescensen (PL) och, för första gången, att QD PL kan spåra aktionspotentialprofilen för en avfyrande neuron med millisekunders tidsupplösning. Denna effekt har visat sig vara kopplad till elektriskt fältdriven QD-jonisering och efterföljande QD PL-släckning, i motsats till konventionell visdom att undertryckandet av QD PL kan tillskrivas den kvantbegränsade Stark-effekten – förskjutningen och splittringen av spektrallinjer av atomer och molekyler på grund av närvaron av ett externt elektriskt fält.

"De inneboende överlägsna fotostabilitetsegenskaperna hos QDs i kombination med deras spänningskänslighet kan visa sig vara fördelaktiga för långsiktiga avbildningsförmåga som för närvarande inte kan uppnås med traditionella organiska spänningskänsliga färgämnen, "Vi räknar med att fortsatt forskning kommer att underlätta den rationella designen och syntesen av spänningskänsliga QD-sonder som kan integreras i en mängd olika bildkonfigurationer för robust funktionell avbildning och avkänning av elektriskt aktiva celler."