I neuroscienziati potrebbero presto diventare arpioni moderni, catturando i singoli segnali delle cellule cerebrali invece delle balene con minuscole lance fatte di nanotubi di carbonio.

La nuova lancia delle cellule cerebrali è lunga un millimetro, largo solo pochi nanometri e sfrutta le proprietà elettromeccaniche superiori dei nanotubi di carbonio per catturare segnali elettrici dai singoli neuroni.

"Per quello che ci risulta, questa è la prima volta che gli scienziati usano i nanotubi di carbonio per registrare segnali da singoli neuroni, ciò che chiamiamo registrazioni intracellulari, in fette di cervello o in cervelli intatti di vertebrati, " ha detto Bruce Donald, un professore di informatica e biochimica alla Duke University che ha contribuito a sviluppare la sonda.

Lui e i suoi collaboratori descrivono le sonde a nanotubi di carbonio il 19 giugno in PLOS UNO .

"I risultati sono una buona prova di principio che i nanotubi di carbonio potrebbero essere utilizzati per studiare i segnali delle singole cellule nervose, " ha detto il neurobiologo della Duke Richard Mooney, un coautore dello studio. "Se la tecnologia continua a svilupparsi, potrebbe essere molto utile per studiare il cervello."

Gli scienziati vogliono studiare i segnali dei singoli neuroni e le loro interazioni con altre cellule cerebrali per comprendere meglio la complessità computazionale del cervello.

Attualmente, utilizzano due tipi principali di elettrodi, metallo e vetro, per registrare segnali dalle cellule cerebrali. Gli elettrodi metallici registrano picchi da una popolazione di cellule cerebrali e funzionano bene negli animali vivi. Gli elettrodi di vetro misurano anche picchi, così come i calcoli che le singole celle eseguono, ma sono delicati e si rompono facilmente.

"I nuovi nanotubi di carbonio combinano le migliori caratteristiche degli elettrodi sia in metallo che in vetro. Registrano bene sia all'interno che all'esterno delle cellule cerebrali, e sono abbastanza flessibili. Perché non si frantumeranno, gli scienziati potrebbero usarli per registrare segnali da singole cellule cerebrali di animali vivi, " ha detto il neurobiologo della Duke Michael Platt, che non è stato coinvolto nello studio.

Nel passato, altri scienziati hanno sperimentato con sonde di nanotubi di carbonio. Ma gli elettrodi erano spessi, provocando danni ai tessuti, o erano brevi, limitando quanto lontano potrebbero penetrare nel tessuto cerebrale. Non potevano sondare all'interno dei singoli neuroni.

Per cambiare questo, Donald ha iniziato a lavorare su una sonda di nanotubi di carbonio simile ad un arpione con il neurobiologo della Duke Richard Mooney cinque anni fa. I due si sono conosciuti durante il loro primo anno a Yale nel 1976, sono rimasti in contatto durante la scuola di specializzazione e hanno iniziato a incontrarsi per parlare delle loro ricerche dopo che entrambi sono venuti alla Duke.

Mooney ha raccontato a Donald del suo lavoro di registrazione dei segnali cerebrali di diamanti mandarini e topi vivi. Il lavoro è stato impegnativo, Egli ha detto, perché le sonde e i macchinari per fare gli studi erano grandi e ingombranti sulla piccola testa di un topo o di un uccello.

Con l'esperienza di Donald in nanotecnologia e robotica e di Mooney in neurobiologia, i due pensavano di poter lavorare insieme per ridurre i macchinari e migliorare le sonde con nanomateriali.

Per fare la sonda, Lo studente laureato Inho Yoon e il fisico della Duke Gleb Finkelstein hanno usato la punta di un filo di tungsteno affilato elettrochimicamente come base e l'hanno estesa con nanotubi di carbonio a parete multipla auto-aggrovigliati per creare un'asta lunga un millimetro. Gli scienziati hanno quindi affilato i nanotubi in un minuscolo arpione utilizzando un fascio di ioni focalizzato presso la North Carolina State University.

Yoon ha quindi portato il nano-arpione al laboratorio di Mooney e lo ha conficcato in fette di tessuto cerebrale di topo e poi nel cervello di topi anestetizzati. I risultati mostrano che la sonda trasmette segnali cerebrali e, e a volte meglio di, elettrodi di vetro convenzionali ed è meno probabile che si rompano nel tessuto. La nuova sonda penetra anche nei singoli neuroni, registrando i segnali di una singola cellula piuttosto che la popolazione più vicina di esse.

In base ai risultati, il team ha richiesto un brevetto per il nano-arpione. Platt ha affermato che gli scienziati potrebbero utilizzare le sonde in una vasta gamma di applicazioni, dalla scienza di base alle interfacce cervello-computer umano e alle protesi cerebrali.

Donald ha detto che la nuova sonda fa progressi in quelle direzioni, ma gli strati isolanti, le capacità di registrazione elettrica e la geometria del dispositivo devono ancora essere migliorate.