I ricercatori dell'UCLA e della Columbia University hanno sviluppato un nuovo metodo per tracciare l'attività di piccole molecole nel cervello, compresi i neurotrasmettitori serotonina e dopamina. Accoppiando minuscoli recettori artificiali con dispositivi a semiconduttore in grado di funzionare nei tessuti viventi, il team è stato in grado di osservare le sostanze chimiche del cervello ad un alto livello di dettaglio.

La ricerca, pubblicato sulla rivista Scienza , fa parte dell'iniziativa BRAIN, una collaborazione su larga scala tra governo, industria privata, non profit, e numerosi college e università.

"Comprendere i fondamenti di come avviene la neurotrasmissione ci aiuterà a capire non solo come funziona il nostro cervello, ma cosa succede nei disturbi psichiatrici, ", ha detto Andrews. "Per andare avanti con trattamenti notevolmente migliori, dobbiamo capire come codifichiamo le informazioni sull'ansia o sull'umore, processi che possono andare storto, a volte con conseguenze devastanti".

"L'idea di questo progetto è nata 20 anni fa, " ha detto il ricercatore capo Anne M. Andrews, professore di psichiatria e chimica all'UCLA. "È nato da un'esigenza fondamentale nella mia ricerca sulla serotonina. Il mio gruppo utilizzava un monitoraggio in vivo all'avanguardia, ma mi è diventato evidente che migliorare i metodi in uso non sarebbe stato sufficiente per fornire il risoluzione necessaria. Avevamo bisogno di una strategia di rilevamento completamente nuova." Ciò ha portato alla collaborazione con Paul Weiss, professore di chimica e scienza dei materiali all'UCLA.

Andrews ha immaginato di accoppiare recettori artificiali con una piattaforma di segnalazione su nanoscala. Un grosso ostacolo, però, era che i transistor richiesti, che sono unità di base di computer e telefoni cellulari, e sono necessari per elaborare un segnale, non funzionano bene sul bagnato, ambienti salati.

"Il cavallo di battaglia di qualsiasi transistor è il semiconduttore, " disse Andrews. "Ma quando lo metti in acqua salata, gli ioni di sale - atomi carichi - si allineano sulla superficie del semiconduttore, e proteggilo, impedendo il rilevamento delle variazioni del campo elettrico. La domanda era, "Come possiamo attingere alla potente scienza e alla sensibilità dei transistor esistenti per usarli in ambienti ad alto contenuto di sale come il cervello?" "Una collaborazione con Yang Yang, un professore di scienza dei materiali all'UCLA, ha fornito al team materiali semiconduttori su nanoscala ad alte prestazioni.

Guardare alla natura a volte è più efficace che escogitare metodi totalmente nuovi, ha detto Andrews. Quindi ha collaborato con il professor Milan Stojanovi? e il dottor Kyung-Ae Yang, entrambi della Colombia, che usavano sequenze di acidi nucleici come recettori. Un vantaggio di queste biomolecole è che sono più piccole dei recettori proteici più voluminosi utilizzati dalle cellule native e da altri ricercatori per i biosensori.

"La nostra scoperta è stata l'utilizzo di un diverso tipo di recettore che è stato ispirato biologicamente, dopo tutto, la vita è iniziata con l'RNA, " ha detto Andrews. I ricercatori della Columbia sviluppano sequenze di acidi nucleici che agiscono come recettori, chiamati aptameri, che sono abbastanza piccoli che una parte sia vicina alle superfici dei semiconduttori. E in questo, abbiamo superato il problema della "protezione contro il sale".

Nel nuovo giornale, il team ha identificato e testato con successo i recettori per la serotonina, dopamina, e glucosio. I recettori sono risultati estremamente selettivi, legando solo le molecole per le quali sono stati progettati. Il sistema ha avuto successo anche nel tessuto cerebrale vivente dei topi.

Il metodo è universale, quindi può essere utilizzato per quasi tutti gli obiettivi:imparare, ad esempio, come i farmaci cambiano nel tempo nel cervello o in altri organi, come viene regolata la pressione sanguigna, e come le molecole di segnalazione associate al flusso e riflusso del microbioma intestinale.

L'interesse principale di Andrews risiede ancora nei neurotrasmettitori. "Attualmente non abbiamo metodi per studiare la segnalazione dei neurotrasmettitori alle scale su cui sono codificate le informazioni, " ha detto Andrews. "Quindi questi sensori ci permetteranno di avvicinarci a dimensioni critiche. Un obiettivo è in definitiva capire come il cervello elabora le informazioni attraverso diversi neurotrasmettitori." I risultati hanno implicazioni non solo per osservare come i neurochimici agiscono in condizioni normali, ma anche nella comprensione di condizioni psichiatriche come la depressione e l'ansia.

Il team sta ora testando la strategia per osservare le sostanze neurochimiche nel cervello degli animali che si comportano.