Ультрамикроионотроника позволяет динамически отслеживать регуляцию хлорида в головном мозге
Динамический мониторинг тормозных нейронных сигналов в мозговой ткани является сложной задачей. Исследователи пытались отслеживать ключевые вещества, участвующие в процессе нейронного торможения (например, Cl - ), чтобы решить эту проблему.
Однако Cl - является неэлектрохимически активным веществом в физиологических условиях и не может легко подвергаться окислительно-восстановительным реакциям, основанным на переносе электронов . В результате Cl - не был хорошим кандидатом для использования в мониторинге ингибирующих нейронных сигналов.
Однако теперь исследователи из Института технологических процессов (IPE) Китайской академии наук разработали молекулярно-адаптированные ультрамикроионотронные интерфейсы жидкость/жидкость (L/L UI) для динамического отслеживания регуляции церебрального хлорида (Cl - ) in vivo.
Это первый случай, когда L/L UI были использованы для достижения высокочувствительного, антиинтерференционного, обратимого, динамического отслеживания в реальном времени неэлектрохимически активного Cl - в физиологических условиях. В этом исследовании L/L UI использовались для динамического мониторинга Cl - в мозге мышиной модели болезни Альцгеймера и крысиной модели эпилепсии.
Исследование было опубликовано в журнале Science Advances 4 декабря.
«В отличие от традиционной электроники, которая использует электроны в качестве носителей сигнала, ионтроника использует в качестве носителей сигнала ионы, что представляет собой новый интерфейс человек-машина », — сказал профессор Бай Шуо из IPE.
Разработанные исследователями L/L-UI состоят из ультрамикропипетки с наконечником, заполненным органогелем, который образует интерфейс жидкость/жидкость с мозговой тканью после имплантации. Модифицируя интерфейс жидкость/жидкость серией бис-тиомочевинных ионофоров (IPE Cl-1 , IPE Cl-2 , IPE Cl-3 ), которые распознают Cl - , исследователи сконструировали ультрамикроионотронику, которая может контролировать Cl - в физиологических условиях.
Под действием этих ионофоров Cl- подвергается облегченной реакции переноса ионов на границе раздела, тем самым генерируя детектируемые электрические сигналы.
Исследователи имплантировали L/L UI в определенные области мозга (такие как гиппокамп, полосатое тело и кора) мышей с моделью болезни Альцгеймера и крыс с моделью эпилепсии. Затем они исследовали различия в концентрации Cl - между различными областями мозга. L/L UI показали высокую чувствительность, отличную помехоустойчивость и повторяемость в динамическом отслеживании Cl - в реальном времени в живом мозге грызунов.
Благодаря динамическому отслеживанию мозга живых грызунов исследователи L/L продемонстрировали регуляторную роль котранспортера хлорида калия 2 (KCC2), который играет важную роль в нейроингибиторном процессе, в отношении концентрации Cl- в мозге.
По словам рецензента журнала Science Advances, эта работа имеет большое значение для области нейронауки и имеет потенциальные диагностические и терапевтические последствия для нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и эпилепсия . «[Она] предоставляет новые идеи для отслеживания неэлектрохимически активных ионов и мониторинга ингибирующей нейронной сигнализации в мозговой ткани», — сказал рецензент.