_ Simțul lăcustelor miros amplificat cu nanoparticule personalizate

Sistemele noastre senzoriale sunt foarte adaptabile. O persoană care nu poate vedea după ce a stins lumina noaptea dobândește încet o putere superioară de a vedea chiar și obiectele mici. Femeile ating adesea un simț al mirosului crescut în timpul sarcinii. Cum poate același sistem senzorial care avea performanțe slabe să depășească, de asemenea, așteptările bazate pe performanța sa anterioară?

Deoarece natura și-a perfecționat sistemele senzoriale pe scale de timp evolutive, o echipă interdisciplinară de cercetători din cadrul Școlii de Inginerie McKelvey de la Universitatea Washington din St. Louis a profitat de aceste capacități pentru a adapta sistemul la cerere pentru a funcționa la performanța sa de vârf. Instrumentele lor pentru a atinge acest obiectiv: Lăcuste și nanomateriale prea mici pentru a fi văzute.

Srikanth Singamaneni și Barani Raman, ambii profesori la McKelvey School of Engineering, au condus o echipă care a valorificat puterea nanostructurilor special create care pot absorb lumina și creează căldură, cunoscută sub numele de efect fototermic și acționează ca recipiente pentru a stoca și a elibera substanțele chimice la cerere. Ei au folosit aceste materiale nanostructurate pentru a stimula răspunsul neuronal din creierul lăcustelor la mirosuri specifice și pentru a le îmbunătăți identificarea. Rezultatele cercetării au fost publicate în Nature Nanotechnology, 25 ianuarie 2024.

Singamaneni, profesor Lilyan & E. Lisle Hughes la Departamentul de Inginerie Mecanică și Știința Materialelor, și Raman, profesor de inginerie biomedicală, au colaborat ani de zile cu Shantanu Chakrabartty, profesorul Clifford W. Murphy la Departamentul de Inginerie Electrică și Sisteme din Preston M. Green, pentru a valorifica capacitățile superioare de detectare ale sistemului olfactiv al lăcustelor. Recent, au demonstrat fezabilitatea utilizării unui nas electronic bio-hibrid pentru detectarea vaporilor explozivi.

„Am lăsat biologia să facă treaba mai grea de a converti informațiile despre substanțele chimice vaporoase într-un semnal neural electric”, a spus Raman. „Aceste semnale sunt detectate în antenele insectelor și sunt transmise creierului. Putem plasa electrozi în creier, putem măsura răspunsul neuronal al lăcustelor la mirosuri și le putem folosi ca amprente pentru a distinge substanțele chimice.”

Ideea, deși sună, are un potențial blocaj.

"Suntem limitați de numărul de electrozi și de unde îi putem amplasa", a spus Singamaneni. „Deoarece vom primi doar un semnal parțial, dorim să amplificăm acest semnal. Aici am apelat la căldură și neuromodulație pentru a îmbunătăți semnalul pe care îl primim.”

În noua cercetare, echipa a folosit două strategii pentru a spori capacitatea lăcustelor de a detecta mirosurile. În primul rând, echipa a creat o nanoparticulă de polidopamină biocompatibilă și biodegradabilă care transformă lumina în căldură printr-un proces numit efect fototermic.

„Căldura afectează difuzia”, a spus Raman. „Imaginați-vă că adăugați lapte rece la cafeaua fierbinte. Ideea este să folosiți căldura generată de nanostructuri pentru a încălzi local, de exemplu, un nanoîncălzitor și pentru a îmbunătăți activitatea neuronală.”

În al doilea rând, aceste materiale nanostructurate pot fi făcut pentru a încărca substanțe chimice pentru depozitare. Cu toate acestea, acestea trebuie să fie încapsulate cu un material de acoperire. Echipa a folosit un material cu schimbare de fază numit tetradecanol, care este solid la temperatura camerei și trece la lichid la încălzire. Când sunt încălzite, aceleași nanoîncălzitoare vor scurge substanțele chimice stocate în ele, în plus față de generarea de căldură.

Singamaneni și echipa au stocat octopamină, un neuromodulator implicat în diferite funcții, și au eliberat-o la cerere. De obicei, acești neuromodulatori sunt eliberați în funcție de nevoile organismului. Cu toate acestea, folosind încălzitoarele nanostructurate, acestea au fost lansate la cerere pentru a îmbunătăți semnalele neuronale.

„Studiul nostru prezintă o strategie generică pentru a îmbunătăți în mod reversibil semnalele neuronale la locul creierului în care plasăm electrozii”, a spus Raman. .

„Strategia de neuromodulație cu nano-activat pe care am dezvoltat-o ​​deschide noi oportunități de a realiza abordări personalizate de detectare chimică cyborg”, a spus Prashant Gupta, un student absolvent în laboratorul lui Singamaneni și primul autor al lucrării. „Această abordare ar schimba o abordare pasivă existentă, în care informația este pur și simplu citită într-una activă, în care capabilitățile circuitelor neuronale ca bază pentru procesarea informațiilor sunt utilizate pe deplin.”

(Fluierul)