Углеродные нанотрубки и нейроны

      Комментарии к записи Углеродные нанотрубки и нейроны отключены

Углеродные нанотрубки и нейроны

Нейроинженерия – новая, скоро развивающаяся междисциплинарная наука, изучающая возможности управления передачи и фундаментальные механизмы сигналов реакциями центральной и периферической нервной совокупности. Она применяет достижения и методы клинической и экспериментальной неврологии, нейрофизиологии, биофизики, кибернетики, компьютерной инженерии, материаловедения и, конечно же, нанотехнологий

Одна из главных задач – создание гибридных совокупностей из живых и неживых элементов для внедрения имплантов, управляемых нервной совокупностью с целью устранения ее нарушений. Для ее решения нужно создать биосовместимый стабильный интерфейс нервной клетки и соответствующего неживого элемента. Данные исследований, полученные в разных научных лабораториях, говорят о том, что углеродные нанотрубки (УНТ) смогут быть использованы в нейроинженерии и для фундаментальных изучений поведения нервных клеток, и для использования на практике – для организации и изучения роста нейронной сети, улучшения эффективности передачи сигналов в нервной совокупности, создания биосовместимого интерфейса, наноэлектродов [1–3].

Структурно-функциональной единицей нервной совокупности есть нервная клетка – нейрон. По оценкам, в нервной совокупности человека более 100 млрд. нейронов, каковые связаны между собой в цепи. Обычный нейрон складывается из сомы, либо тела клетки, содержащего ядро, и отростков, одного в большинстве случаев неветвящегося – аксона, и нескольких ветвящихся – дендритов (рис.1).

дендриты и Аксоны покрыты клеточной мембраной и еще одной либо двумя оболочками. Тела нейронов образуют скопления (узлы и нервные центры), а дендриты и аксоны, объединяясь в общей оболочке, формируют нервы. По аксону импульсы идут от тела клетки к так называемым эффекторам (мышцам, железам) (рис.1а) либо вторым нейронам (рис.1б), а по дендритам – в тело клетки (от рецепторов или других нейронов). Соединение между аксоном одного нейрона и дендритом следующего – синапс.

Передача импульса обусловлена электрическими и химическими возмущениями.

Обширно распространена мембранная теория: концентрации ионов (в основном калия и натрия) вне нейрона и в него не однообразны, исходя из этого нервная клетка в состоянии спокойствия заряжена изнутри отрицательно, а снаружи положительно, и на мембране клетки имеется разность потенциалов – так называемый «потенциал спокойствия». При раздражении нейрона кое-какие из Na+ – каналов раскрываются в точке стимуляции, ионы Na входят вовнутрь клетки, снижая отрицательный заряд внутренней поверхности мембраны в области канала, – появляется «потенциал действия», другими словами нервный импульс, что возможно зарегистрировать.

Не обращая внимания на громадный интерес нейрофизиологов, других исследователей и биологов к углеродным нанотрубкам, подробности сотрудничества нейрон – УНТ до тех пор пока мало известны. Большой прогресс в данной области достигнут в работах коллектива авторов из Швейцарии и Италии [1,2]. Ученые в течение 8–12 дней культивировали нервные клетки гиппокампа (гиппокамп – часть головного мозга) крыс на подложках из одностенных нанотрубок.

Для получения подложек раствор нанотрубок осаждали на стекло, где по окончании термообработки образовывалась механически прочная пленка толщиной 50–70 нм. Эти электронной микроскопии продемонстрировали, что по всей подложке разрослись нейроны, имеющие размеры и морфологию, обычные для здоровых клеток. И не просто разрослись, а тесно соединились с нанотрубками (рис.2 A-D)!

Детальный анализ посредством микроскопии более большого разрешения распознал наличие плотного контакта мембраны нейрона с нанотрубкой (рис.2 E-F), что крайне важно для интерфейса нейронная ткань / внешнее устройство. образование и Рост нейронов функциональной сети на ОСНТ показывает на полную биосовместимость.

Микрофотографии нейронов на ОСНТ. (А) Подложка из ОСНТ. (В-D) Рост нейронов в течение 10 дней на примере А. (E,F) – подробности областей, выделенных на рис.D. Масштабная шкала (продемонстрирована на Е): А – 1 мкм, В – 200 мкм, С – 25 мкм, D – 10 мкм, E – 2 мкм, F – 450 нм

Главный итог работы – в нейронах появлялись отклики на внешнюю электростимуляцию, осуществляемую через нанотрубки посредством подсоединенного к подложке Ag-электрода. Так, нанотрубки не только хорошая поверхность для выращивания нейронной сети. Они возможно помогут увеличению эффективности работы мозга благодаря передаче электрического сигнала по нанотрубке.

В последующих опытах ученые применяли как одностенные, так и многостенные нанотрубки [1]. Влияние УНТ на функции нейронов изучили сравнивая эти для гиппокампальных клеток крыс, культивированных 8–12 дней на УНТ-пленках и контрольных подложек. Материалами контрольных подложек помогали оксид индия-олова ITO, имеющий высокую электропроводность, и пептиды – не электропроводные, но самособирающиеся в нановолокна, похожие на нанотрубки.

Были использованы стандартные электрофизиологические способы, каковые разрешили зарегистрировать заметное увеличение синаптической активности для УНТ-образцов. Результаты подтвердили специфичность нанотрубок, поскольку ни высокая электропроводность первой контрольной подложки, ни нановолокнистая структура второй не помогли стимулировать нейроны. Потом авторы изучили, как нанотрубка может оказывать влияние на электрические особенности отдельного, изолированного от сети нейрона.

На основании математического моделирования и результатов измерений они заключили , что нанотрубка может служить «цепью замыкания» между отростками и телом нейрона, так «приближая» к телу удаленные участки нейрона. В случае если это вправду так, то возможно сохранять надежду, что углеродные нанотрубки окажут помощь не только устранить кое-какие нарушения и заболевания нервной совокупности, но и смогут заметно повысить эффективность работы мозга.

Средняя и большая протяженность отростков нейронов на подложках и контрольной подложке из ОСНТ различной толщины. Числа в скобках говорят о количестве изученных нейронов [3]

Изучения американских ученых продемонстрировали, что годятся не всякие подложки из проводящих УНТ [3]! Выясняется, существует достаточно узкий диапазон электропроводности, оптимальный для действенного развития нейронов. Авторы работы синтезировали ОСНТ, добавили полиэтиленгликоль (ПЭГ), содействующий их растворению и улучшающий биосовместимость, в УЗ-ванне взяли однородную дисперсию и распылением нанесли на горячее покровное стекло однородную пленку.

Изменяя толщину пленки, возможно было контролируемым образом поменять электропроводность. Материалы подложек толщиной 10, 30 и 60 нм имели удельную электропроводность 0,3; 28 и 42 См/см, соответственно. Для контроля применяли покровные стекла, покрытые неэлектропроводным полиэтиленимином (ПЭИ), что используется в нейробиологии для роста клеток и активизации адгезии. Культуры гиппокампальных нейронов крыс выращивали на подложках в течение 3 дней.

Нейроны имели флуоресцентную метку, и их рост возможно было замечать посредством флуоресцентной и интерференционно-контрастной микроскопии. Цель изучений – осознать, какую роль играется «пассивная» проводимость. Стало известно, что разрастание нейронов на 30– и 60-нм ОСНТ-ПЭГ пленках не отличалось от контроля.

А вот для подложки толщиной 10 нм неспециализированное разрастание отростков, протяженность всех ветвей заметно увеличились для каждого нейрона (рис.3). Эти наблюдения смогут растолковать различия в итогах, взятых в ряде опытов с электропроводными подложками.

Авторы [3] пока не смогут конкретно растолковать, из-за чего наилучший рост нейронов отмечается на пленке с определенной (низкой) проводимостью. Похожие результаты для другого типа клеток, культивированных на подложках из полипиррола с различной проводимостью, были ранее растолкованы модификацией ионного транспорта через клеточную мембрану. Вероятны и другие механизмы.

Однако, сделан ответственный вывод о влиянии электропроводности подложки на развитие нейронов.

О. Алексеева

  • G.Cellot et al., Nature Nanotech. 4, 126 (2009)
  • A.Mazzatenta et al., J. Neurosci. 27, 6931 (2007)
  • E.B. Malarkey Nano Lett. 9, 264 (2009)

Размещено в NanoWeek,

  • Прошлая статья: Гарвардские исследователи создали клеточную протеиновую машину
  • Следующая статья: Новое нано-покрытие разрешит создать более качественные импланты головного мозга

Однослойные углеродные нанотрубки — Альберт Насибулин


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: