La capacità di indirizzare e stimolare i neuroni porta una serie di vantaggi, tra cui una migliore comprensione della funzione cerebrale e il trattamento delle malattie neurologiche. Attualmente, array di microelettrodi (MEA) all'avanguardia possono stimolare i neuroni con elevata precisione, ma mancano di specificità del tipo cellulare e richiedono un impianto invasivo che può provocare danni ai tessuti, pensate agli stimolatori usati per aiutare i pazienti con tremori. Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali, e Ingegneria Biomedica, Tzahi Cohen-Karni e il suo team hanno esplorato nuovi materiali per consentire la fotostimolazione remota, o l'uso della luce per stimolare le cellule.

Le cellule possono "parlare" tra loro inviando e ricevendo segnali elettrici. All'interno della membrana di una cellula, un neurone nel nostro cervello per esempio, ci sono piccoli pori chiamati canali ionici che permettono agli ioni di entrare e uscire dalla cellula. In condizioni normali, i flussi di ioni attraverso la membrana determinano se una cellula invierà un segnale elettrico ai suoi vicini. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile utilizzare impulsi di luce per alterare le proprietà della membrana cellulare e suscitare un segnale elettrico in grado di controllare la comunicazione cellulare. Il team di Cohen-Karni mira a identificare materiali efficaci nel controllare le attività cellulari senza causare disagio. Hanno riconosciuto che il grafene multidimensionale (grafene fuzzy) rappresentava un ottimo candidato per la stimolazione cellulare, ma hanno scoperto che alcuni materiali erano difficili da produrre e non potevano assorbire abbastanza luce per trasferire in modo efficiente la luce al calore.

Nella sua attuale ricerca pubblicata dall'American Chemical Society, Cohen-Karni si è concentrato sui fiocchi di carburi/nitruri di metalli di transizione (MXenes), un nanomateriale bidimensionale (2D) unico scoperto dal team del Dr. Yury Gogotsi alla Drexel University. È stato dimostrato che i MXeni mostrano proprietà meccaniche eccezionali, alta conducibilità elettrica, eccellenti proprietà elettrochimiche, e soprattutto sono facili ed economici da produrre.

Piuttosto che studiare il materiale per le sue proprietà di volume, Il team di Cohen-Karni ha misurato le proprietà fototermiche del materiale a un singolo livello di scaglie. Il team ha disperso i fiocchi sulla superficie del ganglio della radice dorsale (DRG), cellule del sistema nervoso periferico, e li illuminava con brevi impulsi di luce. Studiando l'interfaccia tra cellule e materiali, divenne chiaro che i fiocchi non sarebbero stati assorbiti dalle cellule e Cohen-Karni poteva misurare con precisione la quantità di luce necessaria per creare un cambiamento cellulare.

"Ciò che rende davvero unico i materiali che utilizziamo nel mio laboratorio è che non abbiamo bisogno di utilizzare impulsi ad alta energia per ottenere una stimolazione efficace, " Ha spiegato Cohen-Karni. "Iniettando brevi impulsi di luce sull'interfaccia DRG-MXene, abbiamo scoperto che l'elettrofisiologia della cellula è stata alterata con successo".

Quindi cosa significa questo per il futuro della neurologia? Con una maggiore comprensione di come ottenere la stimolazione neurale e la facilità di produzione di MXene, i ricercatori possono praticare in modo più efficiente la fotostimolazione a distanza. Per esempio, i ricercatori potrebbero incorporare MXenes in un tessuto artificiale ingegnerizzato sotto forma di cervello, e quindi utilizzare la luce per controllare l'attività neurale e scoprire ulteriormente il ruolo dei neuroni nello sviluppo del cervello. Infine, questo materiale potrebbe anche essere utilizzato come trattamento non invasivo per le disabilità della funzione neurale, come tremori.

Altri membri del team coinvolti nella ricerca includevano gli studenti di Scienza dei materiali e Ingegneria Yingqaio Wang e Raghav Garg; Jane E. Hartung e Michael S. Gold dell'Università di Pittsburgh; Adam Goad e Dipna A. Patel della Drexel University; e Flavia Vitale dell'Università della Pennsylvania e del Center for Neurotrauma, Neurodegenerazione, e Restauro.