Традиционно, для воздействия на нервные окончания или ткани мозга используют громоздкие проволочные соединения и металлические электроды. По счастью, команда исследователей из Case Western Reserve University (Кливленд, штат Огайо) пошла другим путем. Уникальное сотрудничество между химиками и нейробиологами привело к открытию совершенно нового и необычного способа использования света для активирования клеток мозга с помощью наночастиц.

Основные исследования проводили Бен Строубридж (Ben Strowbridge) – адъюнкт–профессор нейробиологии и Клеменс Бурда (Clemens Burda) – адъюнкт–профессор химии, которым помогали докторанты в обеих специальностях. Сотрудничество специалистов в столь разных областях принесло важные результаты. Статья, опубликованная авторами по результатам исследований в первоклассном химическом журнале Angewandte Chemie (Yixin Zhao, Philip Larimer, Richard T. Pressler, Ben W. Strowbridge, Clemens Burda. Wireless Activation of Neurons in Brain Slices Using Nanostructured Semiconductor Photoelectrodes, – Angewandte Chemie International Edition, published online DOI: 10.1002/anie.200806093), является первой в данной области.

Используя полупроводниковые наночастицы в качестве фотоэлементов, ученые сумели вызвать возбуждение нейронов в клетках и в группах клеток при облучении инфракрасным светом. Внедрение непосредственно в ткани наночастиц, активируемых излучением, совершенно исключает необходимость в сложных проводных соединениях. Этот метод дает возможность более контролируемой реакции и способен почти точно воспроизводить сценарии сложных естественных стимулов (раздражителей). Электроды, используемые по сей день для возбуждения нервных клеток, не всегда могут точно восстановить пространственные картины, создаваемые раздражителями, и, к сожалению, часто повреждают ткани. Существует достаточно много ситуаций, где необходимы механизмы возбуждения нейронов – например, при травмах и повреждениях нерва для восстановления его функций. Сегодняшний способ – это наложение проводников, а затем – соединение с контролирующей системой – и то и другое – очень глубоко проникающие в ткани тела и сложные процедуры.

В первых экспериментах исследователи использовали тонкие срезы мозговой ткани для того, чтобы показать возможность инициирования нейронной активности оптическим излучением. Наночастицы – фотоэлементы располагали вплотную к нервным волокнам. Следующий шаг – показать возможность такого эффекта при стимулировании более длинных участков нейронных цепей. Клиническое применение такой технологии может привести к новым методам активации специфических областей мозга и поврежденных нервов.

Внешние или внутренние поверхности стеклянных микропипеток могут быть покрыты наночастицами полупроводника с узкой запретной зоной. Если для возбуждения используется видимое излучение или излучение в ближнем инфракрасном диапазоне, эти пипетки (обозначенные на рисунке как «PE Stim») могут активировать расположенные поблизости нейроны (обозначенные на рисунке звездочками) в ткани мозга без повреждений ткани, свойственных электростимуляции.

Вне совместного проекта обе группы сотрудничающих исследователей (и химическая и нейробиологическая) преследуют совершенно различные цели в научной работе. Лаборатория д-ра Строубриджа исследует вопросы групповой организации нейронов в областях мозга, отвечающих за чувствительность к запахам, и в гиппокампе. Группа д-ра Бурды использует химически синтезированные наноструктуры для исследования конверсионные схемы возобновляемых источников энергии, ключая фотоэлемнты. Другой сферой интересов химической лаборатории является исследование нанотехнологий для терапии и адресной доставки лекарственных препаратов в организме пациента.

По мнению обоих лидеров, обнаруженные эффекты могут привести к целому миру новых методов исследований. Основной вопрос при этом, как всегда один и тот же – достаточность финансирования исследований для продвижения их на следующий уровень. По счастью обе лаборатории оснащены и финансируются достаточно хорошо, чтобы позволить себе совместные внеплановые работы.

Евгений Биргер