Diamanter avslører nevrale hemmeligheter

Hjernen er uten tvil en av de mest komplekse strukturene i det kjente universet.

Fortsatte fremskritt i vår forståelse av hjernen og vår evne til å effektivt behandle en rekke nevrologiske sykdommer er avhengig av å undersøke hjernens nevrale mikrokretsløp med stadig økende detaljer.

En klasse av metoder for å studere nevrale kretsløp kalles Spenning bildebehandling. Disse teknikkene lar oss se spenningen som genereres av hjernens avfyrende nevroner – forteller oss hvordan nettverk av nevroner utvikler, fungerer og endrer seg over tid.

I dag utføres spenningsavbildning av dyrkede nevroner ved å bruke tette rekker av elektroder som celler dyrkes på (eller dyrkes), eller ved å bruke lysavgivende fargestoffer som reagerer optisk på endringer i spenning på overflaten av cellen.

Men detaljnivået vi kan se ved bruk av disse teknikkene er begrenset.

De minste elektrodene kan ikke pålitelig skille individuelle nevroner, rundt 20 milliondeler av en meter i diameter, for ikke å si noe om det tette nettverket av nanoskalaforbindelser som dannes mellom dem, og ingen betydelige teknologiske fremskritt har blitt gjort på dette området på over to tiår.

Videre krever hver elektrode sin egen kablede tilkobling og forsterker, noe som setter betydelige begrensninger på antall elektroder som kan måles samtidig.

Fargestoffer kan overvinne disse begrensningene ved å avbilde spenningen trådløst som lys – dette betyr at den komplekse elektronikken kan plasseres borte fra cellene i et kamera.

Resultatet er høy oppløsning over store områder, i stand til å skille hver enkelt nevron i et stort nettverk. Men det er begrensninger også her, spenningsresponsene til toppmoderne fargestoffer er trege og ustabile.

Vår nylige forskning publisert i Naturfotonikkutforsker en ny type høyhastighets, høy oppløsning og skalerbar spenningsavbildningsplattform laget med sikte på å overvinne disse begrensningene – et diamantspenningsbildemikroskop.

Utviklet av et team av fysikere fra University of Melbourne og RMIT University, bruker enheten en diamantbasert sensor som konverterer spenningssignaler på overflaten direkte til optiske signaler – dette betyr at vi kan se elektrisk aktivitet som det skjer.

Konverteringen bruker egenskapene til en atom-skala defekt i diamantens krystallstruktur kjent som nitrogen-vakansen (NV).

NV-defekter kan konstrueres ved å bombardere diamanten med en nitrogenionestråle ved å bruke en spesiell type partikkelakselerator. Produksjonen av sensoren begynner med å bruke denne prosessen for å lage et ultratynt lag med NV-defekter med høy tetthet nær diamantens overflate.

Du kan tenke på hver NV-defekt som en bøtte som rommer opptil to elektroner. Når denne bøtta er tom, er NV-defekten mørk. Med ett elektron avgir NV-defekten oransje lys når den belyses av en laser – denne egenskapen er kjent som fluorescens. Med to elektroner blir fargen på fluorescensen rød.

EN tidligere oppdaget eiendom til NV-mangler er at antallet elektroner de holder – og den resulterende fluorescensen – kan kontrolleres med en spenning. I motsetning til fargestoffer er spenningsresponsen til en NV-defekt veldig rask og stabil.

Vår forskning tar sikte på å overvinne utfordringen med å gjøre denne effekten følsom nok til å avbilde neuronal aktivitet.

På diamantens overflate ender krystallstrukturen med et lag ett atom tykt, bygd opp av hydrogen- og oksygenatomer. NV-defektene nærmest overflaten er de mest følsomme for endringer i spenning utenfor diamanten, men de er også svært følsomme for atomsammensetningen til overflatelaget.

For mye hydrogen og NV-ene er så mørke at de optiske signalene vi ser etter ikke kan sees. For lite hydrogen og NV-ene er så lyse at de små signalene vi er ute etter blir helt utvasket.

Så det er en “Gulllokksone” for spenningsavbildning, der overflaten har akkurat den rette mengden hydrogen.

For å nå denne sonen utviklet teamet vårt en elektrokjemisk metode for å fjerne hydrogen på en kontrollert måte. Ved å gjøre dette har vi klart å oppnå spenningsfølsomheter to størrelsesordener bedre enn det som tidligere er rapportert.

Vi testet sensoren vår i saltvann ved hjelp av en mikroskopisk ledning 10 ganger tynnere enn et menneskehår. Ved å påføre en strøm kan ledningen produsere en liten ladningssky i vannet over diamanten. Dannelsen og den påfølgende diffusjonen av denne ladningsskyen produserer små spenninger på diamantoverflaten.

Ved å fange opp disse spenningene gjennom et høyhastighetsopptak av NV-fluorescensen, kan vi bestemme hastigheten, følsomheten og oppløsningen til diamantbildebrikken vår.

Vi var i stand til å øke følsomheten ytterligere ved å mønstre diamantens overflate til “nanopilarer” – koniske strukturer med NV-sentre innebygd i tuppene. Disse pilarene trakter lyset som sendes ut av NV-ene mot kameraet, og øker dramatisk mengden signal vi kan samle inn.

Med utviklingen av diamantspenningsmikroskopet for å oppdage nevronaktivitet, er neste trinn registrering av aktivitet fra dyrkede nevroner in vitro – dette er eksperimenter på celler dyrket utenfor deres normale biologiske kontekst, ellers kjent som reagensrør eller petriskål eksperimenter.

Det som skiller denne teknologien fra eksisterende toppmoderne in vitro-teknikker er kombinasjonen av høy romlig oppløsning (i størrelsesorden en milliondels meter eller mindre), stor romlig skala (noen få millimeter i hver retning – som for et nettverk av nevroner i pattedyr er ganske stort), og fullstendig stabilitet over tid.

Ingen andre eksisterende system kan tilby disse tre egenskapene samtidig, og det er denne kombinasjonen som vil tillate vår produserte-i-Melbourne-teknologi å gi et verdifullt bidrag til arbeidet til nevrovitenskapsmenn og nevrofarmakologer globalt.

Systemet vårt vil hjelpe disse forskerne med å forfølge både grunnleggende kunnskap og neste generasjons behandlinger for nevrologiske og nevrodegenerative sykdommer.

---

---