Våra sensoriska system är mycket anpassningsbara. En person som inte kan se efter att ha släckt ett ljus på natten uppnår långsamt överlägsen kraft att se även små föremål. Kvinnor får ofta ett förstärkt luktsinne under graviditeten. Hur kan samma sensoriska system som underpresterade också överträffa förväntningarna baserat på dess tidigare prestanda?
Eftersom naturen har fulländat sina sensoriska system över evolutionära tidsskalor, utnyttjade ett tvärvetenskapligt team av forskare vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis dessa möjligheter för att anpassa systemet på begäran för att prestera på topp. Deras verktyg för att uppnå detta mål:gräshoppor och nanomaterial för små för att se.
Srikanth Singamaneni och Barani Raman, båda professorer vid McKelvey School of Engineering, ledde ett team som utnyttjade kraften i specialgjorda nanostrukturer som kan absorbera ljus och skapa värme, känd som den fototermiska effekten, och fungera som behållare för att lagra och frigöra kemikalier på efterfrågan. De använde dessa nanostrukturerade material för att öka neurala svar i gräshoppans hjärna på specifika lukter och för att förbättra deras identifiering. Resultaten av forskningen publicerades i Nature Nanotechnology 25 januari 2024.
Singamaneni, Lilyan &E. Lisle Hughes-professorn vid institutionen för maskinteknik och materialvetenskap, och Raman, professor i biomedicinsk teknik, har samarbetat i flera år med Shantanu Chakrabartty, Clifford W. Murphy-professorn vid Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering, för att utnyttja de överlägsna avkänningsförmågan hos gräshoppens luktsystem. Nyligen visade de möjligheten att använda en biohybrid elektronisk näsa för att känna av explosiva ångor.
"Vi låter biologin göra det svårare jobbet att omvandla information om ångformiga kemikalier till en elektrisk neural signal," sa Raman. "Dessa signaler upptäcks i insektsantennerna och överförs till hjärnan. Vi kan placera elektroder i hjärnan, mäta gräshoppornas neurala svar på lukter och använda dem som fingeravtryck för att skilja mellan kemikalier."
Idén, även om den är sund, har en potentiell vägspärr.
"Vi är begränsade av antalet elektroder och var vi kan placera dem," sa Singamaneni. "Eftersom vi bara kommer att få en partiell signal vill vi förstärka denna signal. Det var här vi vände oss till värme och neuromodulering för att förbättra signalen vi får."
I den nya forskningen använde teamet två strategier för att öka gräshoppornas förmåga att upptäcka lukter. Först skapade teamet en biokompatibel och biologiskt nedbrytbar polydopaminnanopartikel som omvandlar ljus till värme genom en process som kallas fototermisk effekt.
"Värme påverkar diffusionen," sa Raman. "Föreställ dig att tillsätta kall mjölk till hett kaffe. Tanken är att använda värmen som genereras av nanostrukturer för att lokalt värma, till exempel en nanovärmare, och förbättra den neurala aktiviteten."
För det andra kan dessa nanostrukturerade material tillverkas för att ladda kemikalier för lagring. De måste dock inkapslas av ett täckmaterial. Teamet använde ett fasförändringsmaterial som kallas tetradecanol som är fast vid rumstemperatur och övergår till flytande vid uppvärmning. När de värms upp kommer samma nanovärmare att läcka ut de kemikalier som lagras i dem förutom att de genererar värme.
Singamaneni och teamet lagrade oktopamin, en neuromodulator involverad i olika funktioner, och släppte den på begäran. Vanligtvis frisätts dessa neuromodulatorer baserat på organismens behov. Men med de nanostrukturerade värmarna släpptes de på begäran för att förbättra de neurala signalerna.
"Vår studie presenterar en generisk strategi för att reversibelt förbättra neurala signaler på den plats i hjärnan där vi placerar elektroderna," sa Raman.
"Den nanoaktiverade neuromoduleringsstrategi som vi utvecklat öppnar nya möjligheter att förverkliga skräddarsydda cyborgkemiska avkänningsmetoder", säger Prashant Gupta, doktorand i Singamanenis labb och första författare till artikeln. "Detta tillvägagångssätt skulle förändra ett befintligt passivt tillvägagångssätt där information helt enkelt läses in till en aktiv där de neurala kretsarnas kapacitet som grund för informationsbehandling används fullt ut."
Mer information: Prashant Gupta et al, Augmenting insekts olfaction performance through nano-neuromodulation, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-023-01592-z
Journalinformation: Nanoteknik
Tillhandahålls av Washington University i St. Louis
