高速電子泵成功模擬神經信號,速度堪比活體神經元

2020-12-01 雷鋒網

Photo: Thor Balkhed/Linköping University 

有機電子離子泵有6個小孔（位於金色方塊上的黑點），這些小孔能夠高速釋放神經遞質。為了比較大小，我們把這個離子泵放在瑞典硬幣（大約 1 美分硬幣大小）旁邊。 

人類神經元傳遞信息的速度比我們眨眼的速度還快 30 倍。一個神經元能在 10 毫秒內通過細胞膜釋放化學物質，隨即鄰近細胞上的受體接收這種化學物質，信息就這樣被傳遞出去。 

到目前為止，即使在微流體的作用下，研究者們也仍然模擬不了高速化學信號。目前，瑞典 Linköping 大學的一個團隊已經設計並創造了一種電控離子泵，這種離子泵傳遞神經遞質的速度和活體神經元傳遞的速度相當。 

這款新儀器是在由同一個實驗室研發的老版的有機電子離子泵（OEIP）的基礎上改進的版本。此儀器依靠電場使帶電粒子不在任何流體的作用下穿過薄膜。這個 2.5 釐米的泵是由金屬製成，通過光刻技術使聚合物通道印到玻璃上，並且和電源連接。 

傳統的儀器是將離子從離子源沿著通道水平地移動到目標區域，這些離子可能是任何一種小的帶電粒子，如：神經遞質、質子和金屬離子等。上述的橫向運動相對緩慢，有時從給上電到離子到達靶點需要數秒才能完成。然而這種新研發的泵利用了聚合物薄膜的超薄特點，通過縱向運動達到目的。 

「我們沒有採用橫向穿過數毫米的薄膜，而是採用了同一種薄膜的縱向厚度，只需要縱向穿過幾百納米。」研究小組的成員 Daniel Simon 說，同時他還是 Linköping 大學有機電子實驗室的助理教授。

它的工作原理是這樣的：

  • 電流沿著六條水平路徑推動神經遞質，每條路徑的中間有一個小孔，一打開開關，研究人員激活可以改變離子源的電場，迅速將帶電粒子沿著短的豎直通道射向小孔。

  • 隨即研究人員給它們設定好一個靶點，比如一個細胞或者一片組織。這個團隊最開始使用乙醯膽鹼測試儀器，乙醯膽鹼是大腦和運動神經元連接中的一種常見的神經遞質，它能使化學物質在 45 到 50 毫秒內到達靶點。

  • 這六個新高速排列的離子傳遞通道都能被分別激活，這就使研究者能夠自由地將神經遞質傳遞到樣本的任何部分。因此，他們能夠用乙醯膽鹼激活培養皿中的一組神經元而不破壞到其他神經元。

目前這個團隊正在活體細胞上測試儀器，除了能夠提高我們研究神經元信號的能力，這種技術還能打開高速傳遞神經遞質的腦部移植髮展的大門。將來，這種離子泵還可能聯合化學療法，用在如今的大腦電刺激療法上，比如深度刺激大腦來治療癲癇，Simon 說，「通過身體不能正常產生信號的化合物來治療神經退行性疾病，有著無限可發展的機會。」

via spectrum

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