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Die neue Technik verwendet Infrarotlicht und ein mit dem Nobelpreis ausgezeichnetes Molekül, das uns hilft, das Brennen von Chilischoten zu spüren.

Forscher der Nanyang Technological University (NTU) in Stanford und Singapur haben eine Technik zur Fernsteuerung von Neuronen ohne invasive Implantate entwickelt.

Durch die Injektion eines Moleküls namens TRPV1 – das uns hilft, die Hitze in Capsaicin-Chilischoten zu spüren – in das Gehirn von Mäusen konnten sie bestimmte Gehirnzellen aus einer Entfernung von bis zu einem Meter (etwa drei Fuß) mithilfe von Infrarotlichtstrahlen steuern.

Die Fähigkeit, Neuronen zu beeinflussen, ohne invasive chirurgische Methoden oder aus dem Schädel herausragende Halteseile, könnte Forschern helfen, das Gehirn bei normalerem Verhalten zu untersuchen, wie z. B. bei Mäusen, die sich zusammenschließen.

„Mäuse sind wie wir eine soziale Spezies, aber das Studium des natürlichen Verhaltens eines Tieres innerhalb einer sozialen Gruppe ist mit einem am Kopf befestigten Glasfaserkabel eine Herausforderung“, sagte Guosong Hong, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und -technik in Stanford, in einer Erklärung .

Aber die Verwendung dieser neuen Technologie könnte es Forschern ermöglichen, die Mäuse Mäuse sein zu lassen, während Infrarotwellen über sie strahlen – und gleichzeitig Informationen über ihr Gehirn preisgeben.

Forscher haben eine Technik entwickelt, um Neuronen aus der Ferne zu steuern – ohne invasive Implantate.

Schalter umlegen: Das Aktivieren und Deaktivieren von Neuronen ist eine erprobte Technik für Neurowissenschaftler, die das Gehirn besser verstehen wollen. 

Wenn Sie sich das Gehirn wie eine äußerst komplexe elektrische Schalttafel vorstellen, könnte das Hantieren mit den Knoten ein wertvolles Fenster in das Geschehen sein. Aber das Gehirn kommt nicht gerade mit einer Schaltkreiskarte, und die Kontrolle dieser Neuronen ist keine leichte Aufgabe. 

Die neue Switch-Flipping-Technik des Forschers, die in Nature Biomedical Engineering veröffentlicht wurde, baut auf Arbeiten auf, die ebenfalls in Stanford entwickelt wurden und als Optogenetik bezeichnet werden .

In der Optogenetik verwenden Forscher lichtempfindliche Proteine ​​aus Algen, die in gentechnisch veränderte Neuronen eingesetzt werden, um sie mit Licht zu steuern. Obwohl sich das Tool als nützlich erwiesen hat, hat es einige Nachteile, sagt Hong. 

Da Körper undurchsichtig sind, bedeutet das sichtbare Licht zu den Neuronen zu bringen, die Sie treffen möchten, oft invasive Implantate oder Haltegurte, die am Schädel befestigt werden.

Diese können nicht nur Gewebe schädigen, sondern machen es auch unmöglich, das Gehirn zu untersuchen, während man sich normal verhält – oder so normal, wie es in einem Labor sein könnte.

Aber während sichtbares Licht möglicherweise nicht in der Lage ist, Kopfhaut, Schädel und Gehirn zu durchdringen, kann es Infrarotlicht .

Das Aktivieren und Deaktivieren von Neuronen ist eine bewährte Technik für Neurowissenschaftler, die das Gehirn besser verstehen wollen.

Die Wärme spüren: Während die Infrarotlichtstrahlen die Gehirnzellen erreichen können, reagieren aktuelle optogenetische Techniken nicht auf ihre Wellenlänge. 

Um dies zu umgehen, konzentrierten sich Hong und seine Kollegen auf die andere Signatur von Infrarot: Wärme .

Glücklicherweise gibt es ein wärmeerkennendes Molekül, das perfekt für diesen Anlass war. TRPV1, der Capsaicinrezeptor, wurde bereits verwendet, um Mäusen die Fähigkeit zu verleihen, im Infraroten zu sehen , und er ähnelt dem Protein, das Grubenottern verwenden, um im Dunkeln der Nacht nach warmer Beute zu suchen.

Die Forscher rüsteten spezifische Mäuseneuronen mit dem wärmeempfindlichen Molekül aus, aber es reichte nicht aus, das Gehirn der Mäuse nur mit TRPV1-Kanälen zu durchdringen. 

„Es stellt sich heraus, dass Klapperschlangen Infrarotsignale viel empfindlicher erkennen können, als wir es im Mausgehirn schaffen könnten“, sagte Hong. „Zum Glück hatten wir Materialwissenschaften, die uns dabei halfen.“

Das Team verwendete Nanopartikel namens MINDS, um das Infrarotlicht zu absorbieren und es stärker zu machen. Die MINDS wurden aus den gleichen Materialien in Solarmodulen und LEDs hergestellt und in das Gehirn injiziert, wo sie die Infrarotsignale verstärkten.

Ferngesteuertes Gehirn: Mit den TRPV1-Kanälen und MINDS auf einer Seite des Motorkortex der Maus – dem Teil des Gehirns, der die Bewegung steuert – könnten sie Mäuse, die ihre Gehege zufällig erkundet haben, dazu bringen, mit dem Infrarotstrahl im Kreis herumzulaufen. wie ein Ruderboot mit einem Paddel.

Mithilfe von wärmeempfindlichen Molekülen konnten die Forscher Mäuseneuronen aus der Ferne mit Infrarotstrahlen aktivieren.

„Das war ein großartiger Moment, als wir wussten, dass es funktionieren würde“, sagte Hong. „Natürlich war das erst der Anfang, um zu validieren und zu testen, was diese Technologie leisten kann, aber von diesem Zeitpunkt an war ich zuversichtlich, dass wir etwas hatten.“

Das Team war auch in der Lage, Gehirnzellen in der gesamten Tiefe des Mausgehirns zu kontrollieren. Mit der Technik an Dopamin-Neuronen wurden die Mäuse „süchtig“ nach dem Infrarotstrahl – obwohl sie ihn nicht sehen konnten – und verbrachten fast ihre ganze Zeit darunter.

Hong glaubt, dass die TRPV1- und MINDS-Technik sofort verwendet werden kann, um Tiergehirne während ihres natürlichen Verhaltens zu untersuchen. In der Zwischenzeit arbeitet das Team daran, ihre neue Methode zu rationalisieren, mit dem Ziel, sie zu einem einstufigen Prozess zu machen.


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