[前沿] 高速电子泵成功模拟神经信号:速度堪比活体神经元


  有机电子离子泵有6个小孔(位于金色方块上的黑点),这些小孔能够高速释放神经递质。为了比较大小,我们把这个离子泵放在瑞典硬币(大约1美分硬币大小)旁边。人类神经元传递信息的速度比我们眨眼的速度还快30倍。一个神经元能在10毫秒内通过细胞膜释放化学物质,随即邻近细胞上的受体接收这种化学物质,信息就这样被传递出去。


  到目前为止,即使在微流体的作用下,研究者们也仍然模拟不了高速化学信号。目前,瑞典 Link?ping 大学的一个团队已经设计并创造了一种电控离子泵,这种离子泵传递神经递质的速度和活体神经元传递的速度相当。


  这款新仪器是在由同一个实验室研发的老版的有机电子离子泵(OEIP)的基础上改进的版本。此仪器依靠电场使带电粒子不在任何流体的作用下穿过薄膜。这个2.5厘米的泵是由金属制成,通过光刻技术使聚合物通道印到玻璃上,并且和电源连接。


  传统的仪器是将离子从离子源沿着通道水平地移动到目标区域,这些离子可能是任何一种小的带电粒子,如:神经递质、质子和金属离子等。上述的横向运动相对缓慢,有时从给上电到离子到达靶点需要数秒才能完成。然而这种新研发的泵利用了聚合物薄膜的超薄特点,通过纵向运动达到目的。


  “我们没有采用横向穿过数毫米的薄膜,而是采用了同一种薄膜的纵向厚度,只需要纵向穿过几百纳米。”研究小组的成员 Daniel Simon 说,同时他还是 Link?ping 大学有机电子实验室的助理教授。


  它的工作原理是这样的:


  电流沿着六条水平路径推动神经递质,每条路径的中间有一个小孔,一打开开关,研究人员激活可以改变离子源的电场,迅速将带电粒子沿着短的竖直通道射向小孔。


  随即研究人员给它们设定好一个靶点,比如一个细胞或者一片组织。这个团队最开始使用乙酰胆碱测试仪器,乙酰胆碱是大脑和运动神经元连接中的一种常见的神经递质,它能使化学物质在 45 到 50 毫秒内到达靶点。


  这六个新高速排列的离子传递通道都能被分别激活,这就使研究者能够自由地将神经递质传递到样本的任何部分。因此,他们能够用乙酰胆碱激活培养皿中的一组神经元而不破坏到其他神经元。


  目前这个团队正在活体细胞上测试仪器,除了能够提高我们研究神经元信号的能力,这种技术还能打开高速传递神经递质的脑部移植发展的大门。将来,这种离子泵还可能联合化学疗法,用在如今的大脑电刺激疗法上,比如深度刺激大脑来治疗癫痫,Simon 说,“通过身体不能正常产生信号的化合物来治疗神经退行性疾病,有着无限可发展的机会。”


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