Biologi di ricerca, chimici e teorici presso l'U.S. Naval Research Laboratory (NRL), sono in procinto di sviluppare la prossima generazione di materiali funzionali che potrebbero consentire la mappatura delle complesse connessioni neurali nel cervello. L'obiettivo finale è capire meglio come i miliardi di neuroni nel cervello comunicano tra loro durante la normale funzione cerebrale, o disfunzione, a seguito di lesioni o malattie.

"C'è un enorme interesse nel mappare tutte le connessioni neuronali nel cervello umano, " ha detto il dottor James Delehanty, biologo ricercatore, Centro per la scienza e l'ingegneria biomolecolare. "Per farlo abbiamo bisogno di nuovi strumenti o materiali che ci permettano di vedere come grandi gruppi di neuroni comunicano tra loro mentre, allo stesso tempo, essere in grado di concentrarsi sull'attività di un singolo neurone. Il nostro lavoro più recente apre potenzialmente l'integrazione di nanomateriali sensibili al voltaggio in cellule e tessuti vivi in ​​una varietà di configurazioni per ottenere capacità di imaging in tempo reale non attualmente possibili".

La base della comunicazione neuronale è la modulazione tempo-dipendente dell'intensità del campo elettrico che viene mantenuto attraverso la membrana plasmatica della cellula. Questo è chiamato potenziale d'azione. Tra i nanomateriali in esame per l'applicazione nell'imaging del potenziale d'azione neuronale ci sono i punti quantici (QD), nanomateriali semiconduttori cristallini che possiedono una serie di attributi fotofisici vantaggiosi.

"I QD sono molto luminosi e fotostabili, quindi puoi guardarli a lungo e consentono configurazioni di imaging dei tessuti che non sono compatibili con i materiali attuali, Per esempio, coloranti organici, " Ha aggiunto Delehanty. "Ugualmente importante, abbiamo mostrato qui che la luminosità QD tiene traccia, con altissima fedeltà, le variazioni di intensità del campo elettrico risolte nel tempo che si verificano quando un neurone subisce un potenziale d'azione. Le loro dimensioni su scala nanometrica li rendono materiali ideali per il rilevamento della tensione su scala nanometrica per l'interfacciamento con i neuroni e altre cellule elettricamente attive per il rilevamento della tensione".

I QD sono piccoli, luminosa, materiali fotostabili che possiedono una durata di fluorescenza di nanosecondi. Possono essere localizzati all'interno o sulle membrane plasmatiche cellulari e hanno una bassa citotossicità quando interfacciati con sistemi cerebrali sperimentali. Inoltre, I QD possiedono ordini di grandezza della sezione trasversale dell'azione a due fotoni più grandi dei coloranti organici o delle proteine ​​fluorescenti. L'imaging a due fotoni è la modalità di imaging preferita per l'imaging in profondità (millimetri) nel cervello e in altri tessuti del corpo.

Nel loro lavoro più recente, i ricercatori dell'NRL hanno dimostrato che un campo elettrico tipico di quelli presenti nelle membrane neuronali determina la soppressione della fotoluminescenza QD (PL) e, per la prima volta, che QD PL è in grado di tracciare il profilo del potenziale d'azione di un neurone attivo con una risoluzione temporale di millisecondi. È dimostrato che questo effetto è collegato alla ionizzazione QD guidata dal campo elettrico e al conseguente spegnimento QD PL, in contraddizione con la saggezza convenzionale che la soppressione del QD PL è attribuibile all'effetto Stark confinato quantistico, lo spostamento e la scissione delle righe spettrali di atomi e molecole a causa della presenza di un campo elettrico esterno.

"Le proprietà di fotostabilità superiori intrinseche dei QD accoppiate con la loro sensibilità alla tensione potrebbero rivelarsi vantaggiose per le capacità di imaging a lungo termine che non sono attualmente ottenibili utilizzando i tradizionali coloranti organici sensibili alla tensione, " Delehanty ha detto. "Prevediamo che la ricerca continua faciliterà la progettazione razionale e la sintesi di sonde QD sensibili alla tensione che possono essere integrate in una varietà di configurazioni di imaging per l'imaging funzionale robusto e il rilevamento di cellule elettricamente attive".