神經(jīng)元是通過沿軸突發(fā)送電化學(xué)信號(hào)而彼此通信的腦細(xì)胞。當(dāng)神經(jīng)元即將釋放信號(hào)時(shí) - 以電荷的形式 - 它允許離子通過離子通道穿過其膜。該離子轉(zhuǎn)移在細(xì)胞內(nèi)部和外部之間產(chǎn)生電勢(shì)差，并且該差異被稱為膜電位。

EPFL工程學(xué)院(STI)的基礎(chǔ)生物光子學(xué)(LBP)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)研究小組已經(jīng)提出了一種方法來監(jiān)測(cè)膜電位的變化，并通過研究膜周圍水分子的行為來觀察離子通量。神經(jīng)元。研究人員在體外小鼠神經(jīng)元上成功測(cè)試了他們的方法，他們剛剛在Nature Communications上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)。

不再有電極或熒光團(tuán)

更好地了解神經(jīng)元的電活動(dòng)可以洞察我們大腦中發(fā)生的許多過程。例如，科學(xué)家可以看到神經(jīng)元是活躍的還是休息的，或者它是否對(duì)藥物治療有反應(yīng)。到目前為止，監(jiān)測(cè)神經(jīng)元的唯一方法是將熒光團(tuán)注射到被研究的大腦部分或附著電極 - 但是熒光團(tuán)可能是有毒的，電極可能會(huì)損傷神經(jīng)元。

最近，LBP研究人員通過觀察水分子和神經(jīng)膜之間的相互作用，開發(fā)出一種跟蹤神經(jīng)元電活動(dòng)的方法。“神經(jīng)元被水分子包圍，水分子會(huì)在電荷存在的情況下改變方向，”LBP主任西爾維·羅克說。“當(dāng)膜電位發(fā)生變化時(shí)，水分子將重新定向 - 我們可以觀察到這一點(diǎn)。”

在他們的研究中，研究人員通過使神經(jīng)元快速流入鉀離子來改變神經(jīng)元膜電位。這導(dǎo)致神經(jīng)元表面的離子通道 - 用于調(diào)節(jié)膜電位 - 打開并讓離子通過。然后研究人員關(guān)閉了離子流，神經(jīng)元釋放出它們拾取的離子。

為了監(jiān)測(cè)這一活動(dòng)，研究人員通過用兩個(gè)相同頻率的激光束照射細(xì)胞來探測(cè)水合神經(jīng)元脂質(zhì)膜。這些光束由飛秒激光脈沖組成 - 利用2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予的技術(shù) - 使得膜界面上的水分子產(chǎn)生具有不同頻率的光子，稱為二次諧波光。

“我們看到了我們研究的基本和應(yīng)用含義。它不僅可以幫助我們理解大腦用于發(fā)送信息的機(jī)制，而且還可以吸引對(duì)體外產(chǎn)品測(cè)試感興趣的制藥公司，”Roke補(bǔ)充道。“我們現(xiàn)在已經(jīng)證明，我們可以一次分析一個(gè)神經(jīng)元或任何數(shù)量的神經(jīng)元。”