Наши сенсорные системы легко адаптируются. Человек, который не может видеть после выключения света ночью, постепенно достигает превосходной способности видеть даже небольшие объекты. У женщин во время беременности часто обостряется обоняние. Как может та же сенсорная система, которая работала неэффективно, превзойти ожидания, основанные на ее предыдущих результатах?
Поскольку природа усовершенствовала свои сенсорные системы в ходе эволюции, междисциплинарная группа исследователей из Инженерной школы МакКелви при Вашингтонском университете в Сент-Луисе воспользовалась этими возможностями, чтобы адаптировать систему по требованию для работы с максимальной производительностью. Их инструменты для достижения этой цели: саранча и наноматериалы, слишком маленькие, чтобы их можно было увидеть.
Шрикант Сингаманени и Барани Раман, оба профессора Инженерной школы МакКелви, возглавили команду, которая использовала возможности специально созданных наноструктур, способных поглощать свет и создавать тепло, известное как фототермический эффект, и выступать в качестве контейнеров для хранения и выделения химических веществ. требовать. Они использовали эти наноструктурированные материалы, чтобы усилить нейронную реакцию мозга саранчи на определенные запахи и улучшить их идентификацию. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
«Мы позволяем биологии выполнять более сложную работу по преобразованию информации о газообразных химических веществах в электрический нейронный сигнал», — говорит Раман. «Эти сигналы улавливаются усиками насекомых и передаются в мозг. Мы можем поместить электроды в мозг, измерить нервную реакцию саранчи на запахи и использовать их как отпечатки пальцев, чтобы различать химические вещества».
Идея, хотя и здравая, имеет потенциальное препятствие.
«Мы ограничены количеством электродов и местом их размещения», — сказал Сингаманени. «Поскольку мы получим только частичный сигнал, мы хотим усилить этот сигнал. Именно здесь мы обратились к теплу и нейромодуляции, чтобы усилить получаемый сигнал».
В новом исследовании команда использовала две стратегии, чтобы повысить способность саранчи обнаруживать запахи. Во-первых, команда создала биосовместимую и биоразлагаемую наночастицу полидофамина, которая преобразует свет в тепло посредством процесса, называемого фототермическим эффектом.
«Тепло влияет на диффузию, — сказал Раман. — Представьте себе, что вы добавляете холодное молоко в горячий кофе. Идея состоит в том, чтобы использовать тепло, генерируемое наноструктурами, для локального нагрева, например, нанонагревателя, и усиления нейронной активности».
Во-вторых, эти наноструктурированные материалы можно использовать для загрузки химикатов на хранение. Однако они должны быть инкапсулированы укрывным материалом. Команда использовала материал с фазовым переходом под названием тетрадеканол, который является твердым при комнатной температуре и переходит в жидкость при нагревании. При нагревании те же нанонагреватели не только выделяют тепло, но и выделяют химические вещества, хранящиеся внутри них.
Сингаманени и его команда хранили октопамин, нейромодулятор, участвующий в различных функциях, и высвобождали его по требованию. Обычно эти нейромодуляторы высвобождаются исходя из потребностей организма. Однако при использовании наноструктурированных нагревателей их активировали по требованию для усиления нервных сигналов.
«Наше исследование представляет собой общую стратегию обратимого усиления нервных сигналов в том участке мозга, куда мы помещаем электроды», — сказал Раман.
«Разработанная нами стратегия нейромодуляции с использованием нанотехнологий открывает новые возможности для реализации индивидуальных подходов к химическому зондированию киборгов», — сказал соавтор исследования Прашант Гупта из лаборатории Сингаманени. «Этот подход изменит существующий пассивный подход, при котором информация просто считывается, на активный, при котором полностью используются возможности нейронных цепей как основы для обработки информации».
