Podobno diamenty są wieczne. Pomogą rozszyfrować działanie mózgu?

Mózg jest prawdopodobnie najbardziej złożoną strukturą w naszym Wszechświecie. Diamenty mogą pomóc nam lepiej zrozumieć jego funkcjonowanie.
Prototyp mikroskopu DVIM /Fot. University of Melbourne
Prototyp mikroskopu DVIM /Fot. University of Melbourne

O naszych mózgach wciąż wiemy za mało. Co prawda lekarze potrafią precyzyjnie wyciąć z nich nieprawidłowe tkanki, ale wciąż niewiele wiedzą o samym funkcjonowaniu sieci neuronalnych. A zaglądnąć do działającego mózgu jest niezwykle trudno (bez zabijania pacjenta). Dlatego często obserwuje się neurony w kulturach komórkowych, np. obrazując napięcie generowane przez nie, co mówi nam nie tylko o tym, za co odpowiada dana komórka nerwowa, ale jak zmienia się w czasie.

Obecnie obrazowanie napięcia w warunkach laboratoryjnych odbywa się przy użyciu specyficznych tablic wypełnionych elektrodami, na których hoduje się komórki lub poprzez zastosowanie barwników, które reagują na zmiany napięcia na powierzchni komórki. Poziom szczegółowości, jaki możemy w ten sposób osiągnąć, jest niewielki. Najmniejsze elektrody nie są w stanie wiarygodnie rozróżnić pojedynczych komórek o średnicy około 20 milionowych części metra, nie mówiąc już o gęstej sieci połączeń, które tworzą się między nimi, a od ponad dwóch dekad nie poczyniono w tej dziedzinie żadnych znaczących postępów technologicznych.

Czytaj też: Nadchodzi nowa era mikroskopii. Elektrony oglądane dokładnie jak nigdy

Barwniki mogą pomóc obejść te ograniczenia, obrazując napięcie bezprzewodowo w postaci promieniowania. To oznacza, że skomplikowaną aparaturę można umieścić z dala od komórek. W rezultacie uzyskuje się wysoką rozdzielczość na dużych obszarach, co pozwala na rozróżnienie każdego pojedynczego neuronu w dużej sieci. Jednak i tu istnieją ograniczenia – reakcje napięciowe najnowocześniejszych barwników są powolne i niestabilne.

Naukowcy z Uniwersytetu w Melbourne i RMIT University opisali nowy rodzaj szybkiej, wysokorozdzielczej i skalowalnej platformy obrazowania napięciowego, stworzonej w celu przezwyciężenia tych ograniczeń – diamentowy mikroskop obrazowania napięciowego (DVIM). Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Photonics.

Czym jest DVIM?

DVIM wykorzystuje oparty na diamencie czujnik, który przekształca sygnały napięciowe na jego powierzchni bezpośrednio w sygnały optyczne. Oznacza to, że można zobaczyć aktywność elektryczną w trakcie jej trwania. Konwersja wykorzystuje właściwości defektu w skali atomowej w strukturze krystalicznej diamentu, znanego jako defekt NV (nitrogen-vacancy).

Defekty NV można uzyskać poprzez bombardowanie diamentu wiązką jonów azotu przy użyciu specjalnego rodzaju akceleratora cząstek. Wykorzystuje się ten proces do stworzenia bardzo gęstej, ultracienkiej warstwy defektów NV blisko powierzchni diamentu.

Czytaj też: Przełom w obrazowaniu żywych komórek – mikroskopia sił atomowych o niezwykłej rozdzielczości

Defekty NV mają to do siebie, że liczba utrzymywanych przez nie elektronów i wynikająca z tego fluorescencja może być kontrolowana za pomocą napięcia. W przeciwieństwie do barwników, odpowiedź napięciowa defektu NV jest bardzo szybka i stabilna. Badania australijskich uczonych mają na celu ulepszenie tego efektu i sprawienie, że będzie możliwe obrazowanie aktywności neuronów.

Elektroda o średnicy ośmiu milionowych metra jest używana do lokalnego wstrzykiwania chmury ładunków elektrycznych do cieczy umieszczonej na szczycie diamentowego chipa. Fluorescencja diamentu odzwierciedla w czasie rzeczywistym dyfuzję tego ładunku przez ciecz

W pracy czytamy:

Nasz zespół opracował elektrochemiczną metodę kontrolowanego usuwania wodoru. Dzięki temu udało nam się osiągnąć czułość napięciową o dwa rzędy wielkości lepszą niż ta, którą odnotowano wcześniej. Przetestowaliśmy nasz czujnik w słonej wodzie, używając mikroskopijnego drutu 10-krotnie cieńszego od ludzkiego włosa. Poprzez przyłożenie prądu, drut może wytworzyć małą chmurę ładunku w wodzie nad diamentem. Tworzenie i późniejsza dyfuzja tej chmury ładunków wytwarza małe napięcia na powierzchni diamentu. Rejestrując te napięcia poprzez szybki zapis defektu NV, możemy określić szybkość, czułość i rozdzielczość naszego chipa do obrazowania diamentów.

Tym, co odróżnia tę technologię DVIM od istniejących, najnowocześniejszych technik in vitro, jest połączenie wysokiej rozdzielczości przestrzennej (rzędu milionowych części metra lub mniej), dużej skali przestrzennej (kilka milimetrów w każdym kierunku – co w przypadku sieci neuronów u ssaków jest dość duże) oraz pełnej stabilności w czasie.