Förmågan att rikta in sig på och stimulera neuroner ger en mängd fördelar, inklusive bättre förståelse av hjärnans funktion och behandling av neurologiska sjukdomar. För närvarande, toppmoderna mikroelektroder (MEA) kan stimulera neuroner med hög precision, men de saknar celltypsspecificitet och kräver invasiv implantation som kan resultera i vävnadsskada – tänk på stimulatorer som används för att hjälpa patienter med skakningar. professor i materialvetenskap och teknik, och biomedicinsk teknik, Tzahi Cohen-Karni och hans team har utforskat nytt material för att möjliggöra fjärrfotostimulering, eller användningen av ljus för att stimulera celler.

Celler kan "prata" med varandra genom att skicka och ta emot elektriska signaler. Inuti en cells membran, en neuron i vår hjärna till exempel, det finns små porer som kallas jonkanaler som låter joner röra sig in och ut ur cellen. Under normala förhållanden, jonflödena över membranet bestämmer om en cell kommer att skicka en elektrisk signal till sina grannar. På senare år har forskare har visat att det är möjligt att använda ljuspulser för att förändra cellmembranets egenskaper och framkalla en elektrisk signal som kan styra cellulär kommunikation. Cohen-Karnis team strävar efter att identifiera material som är effektiva för att kontrollera cellaktiviteter utan att orsaka nöd. De insåg att multidimensionell grafen (fuzzy graphene) poserade som en stor kandidat för cellulär stimulering men fann att vissa material var svåra att producera och inte kunde absorbera tillräckligt med ljus för att effektivt överföra ljus till värme.

I hans aktuella forskning publicerad av American Chemical Society, Cohen-Karni fokuserade på övergångsmetallkarbider/nitrider (MXenes) flingor, ett unikt tvådimensionellt (2D) nanomaterial upptäckt av Dr. Yury Gogotsis team vid Drexel University. MXener har visat sig uppvisa enastående mekaniska egenskaper, hög elektrisk ledningsförmåga, utmärkta elektrokemiska egenskaper, och viktigast av allt är lätta och billiga att producera.

Istället för att studera materialet för dess bulkegenskaper, Cohen-Karnis team mätte materialets fototermiska egenskaper vid en enda flingnivå. Teamet spred flingor på ytan av dorsala rotganglion (DRG), celler i det perifera nervsystemet, och lyste upp dem med korta ljuspulser. Genom att studera gränssnittet mellan celler och material, det blev tydligt att flingor inte skulle absorberas av cellerna och Cohen-Karni kunde exakt mäta mängden ljus som krävs för att skapa cellförändringar.

"Det som verkligen är unikt med materialen som vi använder i mitt labb är att vi inte behöver använda högenergipulser för att få en effektiv stimulering, " Cohen-Karni förklarade. "Genom att lysa korta ljuspulser på DRG-MXene-gränssnittet, vi fann att cellens elektrofysiologi framgångsrikt förändrades."

Så vad betyder detta för framtiden för neurologi? Med en ökad förståelse för hur man uppnår neural stimulering och enkelheten med MXene-produktion, forskare kan mer effektivt träna fjärrfotostimulering. Till exempel, forskare kunde bädda in MXenes i konstgjord vävnad som konstruerats i form av en hjärna, och sedan använda ljus för att kontrollera den neurala aktiviteten och ytterligare avslöja neuronernas roll i hjärnans utveckling. Så småningom, detta material skulle till och med kunna användas som en icke-invasiv behandling för neurala funktionsnedsättningar, som skakningar.

Andra gruppmedlemmar som var involverade i forskningen inkluderade materialvetenskap och ingenjörsstudenter Yingqaio Wang och Raghav Garg; Jane E. Hartung och Michael S. Gold från University of Pittsburgh; Adam Goad och Dipna A. Patel från Drexel University; och Flavia Vitale från University of Pennsylvania och Center for Neurotrauma, Neurodegeneration, och restaurering.