Традиционно, для воздействия на нервные окончания или
ткани мозга используют громоздкие проволочные соединения и
металлические электроды. По счастью, команда исследователей из Case Western Reserve University
(Кливленд, штат Огайо) пошла другим путем. Уникальное сотрудничество
между химиками и нейробиологами привело к открытию совершенно нового и
необычного способа использования света для активирования клеток мозга с
помощью наночастиц.
Основные исследования проводили Бен Строубридж (Ben Strowbridge) –
адъюнкт–профессор нейробиологии и Клеменс Бурда (Clemens Burda) –
адъюнкт–профессор химии, которым помогали докторанты в обеих
специальностях. Сотрудничество специалистов в столь разных областях
принесло важные результаты. Статья, опубликованная авторами по
результатам исследований в первоклассном химическом журнале Angewandte
Chemie (Yixin Zhao, Philip Larimer, Richard T. Pressler, Ben W.
Strowbridge, Clemens Burda. Wireless Activation of Neurons in Brain
Slices Using Nanostructured Semiconductor Photoelectrodes, – Angewandte
Chemie International Edition, published online DOI:
10.1002/anie.200806093), является первой в данной области.
Используя полупроводниковые наночастицы в качестве
фотоэлементов, ученые сумели вызвать возбуждение нейронов в клетках и в
группах клеток при облучении инфракрасным светом. Внедрение
непосредственно в ткани наночастиц, активируемых излучением, совершенно
исключает необходимость в сложных проводных соединениях. Этот
метод дает возможность более контролируемой реакции и способен почти
точно воспроизводить сценарии сложных естественных стимулов
(раздражителей). Электроды, используемые по сей день для возбуждения
нервных клеток, не всегда могут точно восстановить пространственные
картины, создаваемые раздражителями, и, к сожалению, часто повреждают
ткани. Существует достаточно много ситуаций, где необходимы механизмы
возбуждения нейронов – например, при травмах и повреждениях нерва для
восстановления его функций. Сегодняшний способ – это наложение
проводников, а затем – соединение с контролирующей системой – и то и
другое – очень глубоко проникающие в ткани тела и сложные процедуры.
В первых экспериментах исследователи использовали тонкие
срезы мозговой ткани для того, чтобы показать возможность инициирования
нейронной активности оптическим излучением. Наночастицы – фотоэлементы
располагали вплотную к нервным волокнам. Следующий шаг – показать
возможность такого эффекта при стимулировании более длинных участков
нейронных цепей. Клиническое применение такой технологии может привести
к новым методам активации специфических областей мозга и поврежденных
нервов.
Внешние или внутренние поверхности стеклянных
микропипеток могут быть покрыты наночастицами полупроводника с узкой
запретной зоной. Если для возбуждения используется видимое излучение
или излучение в ближнем инфракрасном диапазоне, эти пипетки
(обозначенные на рисунке как «PE Stim») могут активировать
расположенные поблизости нейроны (обозначенные на рисунке звездочками)
в ткани мозга без повреждений ткани, свойственных электростимуляции.
Вне совместного проекта обе группы сотрудничающих исследователей (и
химическая и нейробиологическая) преследуют совершенно различные цели в
научной работе. Лаборатория д-ра Строубриджа исследует вопросы
групповой организации нейронов в областях мозга, отвечающих за
чувствительность к запахам, и в гиппокампе. Группа д-ра Бурды
использует химически синтезированные наноструктуры для исследования
конверсионные схемы возобновляемых источников энергии, ключая
фотоэлемнты. Другой сферой интересов химической лаборатории является
исследование нанотехнологий для терапии и адресной доставки
лекарственных препаратов в организме пациента.
По мнению обоих лидеров, обнаруженные эффекты могут привести
к целому миру новых методов исследований. Основной вопрос при этом, как
всегда один и тот же – достаточность финансирования исследований для
продвижения их на следующий уровень. По счастью обе лаборатории оснащены и финансируются достаточно хорошо, чтобы позволить себе совместные внеплановые работы.
Евгений Биргер |
