Maskiner blir mysiga med våra celler. Inbyggda sensorer registrerar hur och när neuroner eldar; elektroder tänd hjärtceller att slå eller hjärnceller att elda; neuronliknande enheter kan till och med uppmuntra till snabbare återväxt efter implantation i hjärnan.

Snart, så kallade hjärn-maskin-gränssnitt kan göra ännu mer:övervaka och behandla symtom på neurologiska störningar som Parkinsons sjukdom, ge en plan för att designa artificiell intelligens, eller till och med möjliggöra hjärn-till-hjärna-kommunikation.

För att uppnå det nåbara och det kvixotiska, enheter behöver ett sätt att bokstavligen dyka djupare in i våra celler för att utföra spaning. Ju mer vi vet om hur neuroner fungerar, ju mer vi kan efterlikna, återskapa, och behandla dem med våra maskiner.

Nu, i ett papper publicerat i Naturnanoteknik , Charles M. Lieber, professor vid Joshua och Beth Friedman University, presenterar en uppdatering av sina ursprungliga nanoskalaenheter för intracellulär inspelning, den första nanotekniken som utvecklats för att spela in elektrisk prat inuti en levande cell. Nio år senare, Lieber och hans team har utformat ett sätt att göra tusentals av dessa enheter samtidigt, skapa en nanoskala armé som kan påskynda ansträngningarna att ta reda på vad som händer inne i våra celler.

Innan Liebers arbete, liknande enheter mötte en Goldilocks -gåta:För stor, och de skulle spela in interna signaler men döda cellen. För liten, och de lyckades inte korsa cellens membran - inspelningar blev bullriga och oprecisa.

Liebers nya nanotrådar var helt rätt. Designad och rapporterad 2010, originalen hade en nanoskala "V" -formad spets med en transistor i botten av "V." Denna design kan genomborra cellmembran och skicka exakt data tillbaka till teamet utan att förstöra cellen.

Men det var ett problem. Kisel -nanotrådarna är mycket längre än de är breda, vilket gör dem vingliga och svåra att bråka. "De är lika flexibla som kokta nudlar, "säger Anqi Zhang, en doktorand i Lieber Lab och en av författarna till teamets senaste arbete.

För att skapa de ursprungliga enheterna, labmedlemmarna var tvungna att snärja en nanotrådnudel åt gången, hitta varje arm av "V, "och sedan väva in trådarna i inspelningsenheten. Ett par enheter tog 2 till 3 veckor att göra." Det var mycket tråkigt arbete, säger Zhang.

Men nanotrådar görs inte en i taget; de är gjorda massor som det de liknar:kokt spaghetti. Med hjälp av nanoklusterkatalyserad ånga-vätska-fast metod, som Lieber använde för att skapa de första nanotrådarna, laget bygger en miljö där trådarna kan gro på egen hand. De kan förutbestämma varje tråds diameter och längd men inte hur trådarna är placerade när de är klara. Även om de växer tusentals eller till och med miljoner nanotrådar åt gången, slutresultatet är en röra av osynlig spaghetti.

För att lösa upp röran, Lieber och hans team utformade en fälla för sina lösa kokta nudlar:De gör U-formade skyttegravar på en kiselskiva och kammar sedan nanotrådarna över ytan. Denna "kammande" process löser upp röran och sätter varje nanotråd i ett snyggt U-format hål. Sedan, varje "U" -kurva får en liten transistor, liknande botten på deras "V" -formade enheter.

Med "kamning" -metoden, Lieber och hans team kompletterar hundratals nanotrådsenheter på samma tid som de använde för att göra bara ett par. "Eftersom de är väldigt väl anpassade, de är väldigt lätta att styra, "Säger Zhang.

Än så länge, Zhang och hennes kollegor har använt de "U" -formade nanoskalaenheterna för att registrera intracellulära signaler i både neurala och hjärtceller i kulturer. Belagd med en substans som efterliknar känslan av ett cellmembran, nanotrådarna kan passera denna barriär med minimal ansträngning eller skada på cellen. Och, de kan spela in intracellulärt chatt med samma precision som deras största konkurrent:patch clamp -elektroder.

Patch -klämelektroder är cirka 100 gånger större än nanotrådar. Som namnet antyder, verktyget klämmer fast på cellens membran, orsakar irreversibel skada. Patch -klämelektroden kan fånga stabil registrering av de elektriska signalerna inuti cellerna. Men, Zhang säger, "efter inspelning, cellen dör. "

Lieber -teamets "U" -formade nanoskalaenheter är vänligare mot sina cellvärdar. "De kan sättas in i flera celler parallellt utan att orsaka skada, "Säger Zhang.

Just nu, enheterna är så skonsamma att cellmembranet trycker ut dem efter cirka 10 minuters inspelning. För att förlänga detta fönster med sin nästa design, laget kan lägga till lite biokemiskt lim på spetsen eller grova kanterna så att tråden fastnar mot membranet.

Nanoskalaenheterna har en annan fördel jämfört med patchklämman:De kan spela in fler celler parallellt. Med klämmorna, forskare kan samla in bara några cellinspelningar åt gången. För denna studie, Zhang spelade in upp till tio celler samtidigt. "Potentiellt, som kan vara mycket större, "säger hon. Ju fler celler de kan spela in åt gången, desto mer kan de se hur nätverk av celler interagerar med varandra som de gör i levande varelser.

I färd med att skala sin nanotrådsdesign, laget råkade också bekräfta en mångårig teori, kallad krökningshypotesen. Efter att Lieber uppfann de första nanotrådarna, forskare spekulerade på att bredden på en nanotrådspets (botten av "V" eller "U") kan påverka cellens svar på tråden. För denna studie, laget experimenterade med flera "U" -kurvor och transistorstorlekar. Resultaten bekräftade den ursprungliga hypotesen:Celler som en smal spets och en liten transistor.

"Vetenskapens skönhet för många, vi själva ingår, har sådana utmaningar att driva hypoteser och framtida arbete, "Säger Lieber. Med skalbarhetsutmaningen bakom sig, laget hoppas fånga ännu mer exakta inspelningar, kanske inom subcellulära strukturer, och registrera celler i levande varelser.

Men för Lieber, en hjärnmaskinutmaning är mer lockande än alla andra:"att föra cyborgs till verklighet."