Das Gehirn ist wohl eine der komplexesten Strukturen im bekannten Universum.
Kontinuierliche Fortschritte in unserem Verständnis des Gehirns und unserer Fähigkeit, eine Vielzahl neurologischer Erkrankungen effektiv zu behandeln, beruhen auf der Untersuchung der neuralen Mikroschaltkreise des Gehirns mit immer mehr Details.
Eine Klasse von Verfahren zur Untersuchung neuronaler Schaltkreise wird als Spannungsbildgebung bezeichnet. Diese Techniken ermöglichen es uns, die Spannung zu sehen, die von den feuernden Neuronen unseres Gehirns erzeugt wird, und uns zu sagen, wie sich Neuronennetzwerke im Laufe der Zeit entwickeln, funktionieren und verändern.
Heutzutage wird die Spannungsbildgebung von kultivierten Neuronen mit dichten Anordnungen von Elektroden durchgeführt, auf denen Zellen gezüchtet (oder kultiviert) werden, oder durch Auftragen von lichtemittierenden Farbstoffen, die optisch auf Spannungsänderungen auf der Oberfläche der Zelle reagieren.
Aber der Detaillierungsgrad, den wir mit diesen Techniken sehen können, ist begrenzt.
Die kleinsten Elektroden können einzelne Neuronen mit einem Durchmesser von etwa 20 Millionstel Metern nicht zuverlässig unterscheiden, ganz zu schweigen von dem dichten Netzwerk nanoskaliger Verbindungen, die sich zwischen ihnen bilden, und seit über zwei Jahrzehnten wurden auf diesem Gebiet keine wesentlichen technologischen Fortschritte erzielt.
Darüber hinaus erfordert jede Elektrode ihre eigene Kabelverbindung und ihren eigenen Verstärker, wodurch die Anzahl der Elektroden, die gleichzeitig gemessen werden können, erheblich eingeschränkt wird.
Eine winzige Elektrode mit einem Durchmesser von acht Millionstel Metern wird verwendet, um eine elektrische Ladungswolke lokal in eine Flüssigkeit zu injizieren, die sich auf dem Diamantchip befindet. Die Fluoreszenz des Diamanten spiegelt die Diffusion dieser Ladung durch die Flüssigkeit in Echtzeit wider. Kredit: Autor bereitgestellt
Farbstoffe können diese Einschränkungen überwinden, indem sie die Spannung drahtlos als Licht abbilden – das bedeutet, dass die komplexe Elektronik in einer Kamera von den Zellen entfernt angeordnet werden kann.
Das Ergebnis ist eine hohe Auflösung über große Bereiche, die in der Lage ist, jedes einzelne Neuron in einem großen Netzwerk zu unterscheiden. Aber auch hier gibt es Einschränkungen, die Spannungsantworten von Farbstoffen nach dem Stand der Technik sind langsam und instabil.
Unsere jüngsten Forschungsergebnisse, veröffentlicht in Naturphotonikerforscht eine neue Art einer Hochgeschwindigkeits-, hochauflösenden und skalierbaren Spannungsbildgebungsplattform, die mit dem Ziel entwickelt wurde, diese Einschränkungen zu überwinden – ein Diamant-Spannungsbildgebungsmikroskop.
Das Gerät wurde von einem Team von Physikern der University of Melbourne und der RMIT University entwickelt und verwendet einen diamantbasierten Sensor, der Spannungssignale an seiner Oberfläche direkt in optische Signale umwandelt – das bedeutet, dass wir elektrische Aktivität sehen können, während sie stattfindet.
Die Umwandlung nutzt die Eigenschaften eines Defekts auf atomarer Ebene in der Kristallstruktur des Diamanten, der als Stickstoffleerstelle (NV) bekannt ist.
NV-Defekte können konstruiert werden, indem der Diamant mit einem Stickstoffionenstrahl unter Verwendung eines speziellen Teilchenbeschleunigertyps beschossen wird. Die Herstellung des Sensors beginnt mit der Verwendung dieses Prozesses zur Erzeugung einer hochdichten, ultradünnen Schicht aus NV-Defekten nahe der Diamantoberfläche.
Sie können sich jeden NV-Defekt als einen Eimer vorstellen, der bis zu zwei Elektronen enthält. Wenn dieser Eimer leer ist, ist der NV-Defekt dunkel. Mit einem Elektron emittiert der NV-Defekt orangefarbenes Licht, wenn er von einem Laser beleuchtet wird – diese Eigenschaft wird als Fluoreszenz bezeichnet. Bei zwei Elektronen wird die Farbe der Fluoreszenz rot.
Da die Spannung in einer leitfähigen Lösung gleichmäßig variiert wird, folgt die Helligkeit des vom Diamantchip emittierten Lichts nahezu augenblicklich. Hier wurde die Diamantoberfläche in eine Anordnung von Nanosäulen strukturiert, um das detektierte Lichtsignal zu verstärken. Kredit: Autor bereitgestellt
EIN zuvor entdeckte Eigenschaft von NV-Defekten ist, dass die Anzahl der darin enthaltenen Elektronen – und die daraus resultierende Fluoreszenz – mit einer Spannung gesteuert werden kann. Im Gegensatz zu Farbstoffen ist die Spannungsantwort eines NV-Defekts sehr schnell und stabil.
Unsere Forschung zielt darauf ab, die Herausforderung zu überwinden, diesen Effekt empfindlich genug für die neuronale Bildaktivität zu machen.
Auf der Oberfläche des Diamanten endet die Kristallstruktur mit einer ein Atom dicken Schicht aus Wasserstoff- und Sauerstoffatomen. Die NV-Defekte, die der Oberfläche am nächsten sind, sind am empfindlichsten gegenüber Spannungsänderungen außerhalb des Diamanten, aber sie sind auch sehr empfindlich gegenüber dem atomaren Aufbau der Oberflächenschicht.
Zu viel Wasserstoff und die NVs sind so dunkel, dass die gesuchten optischen Signale nicht zu sehen sind. Zu wenig Wasserstoff und die NVs sind so hell, dass die kleinen Signale, die wir suchen, völlig ausgewaschen werden.
Es gibt also eine „Goldlöckchenzone“ für die Spannungsbildgebung, in der die Oberfläche genau die richtige Menge an Wasserstoff enthält.
Um diese Zone zu erreichen, entwickelte unser Team ein elektrochemisches Verfahren zur kontrollierten Entfernung von Wasserstoff. Dadurch ist es uns gelungen, Spannungsempfindlichkeiten zu erreichen, die um zwei Größenordnungen besser sind als zuvor berichtet.
Wir haben unseren Sensor in Salzwasser mit einem mikroskopisch kleinen Draht getestet, der zehnmal dünner als ein menschliches Haar ist. Durch Anlegen eines Stroms kann der Draht eine kleine Ladungswolke im Wasser über dem Diamanten erzeugen. Die Bildung und anschließende Diffusion dieser Ladungswolke erzeugt kleine Spannungen an der Diamantoberfläche.
Indem wir diese Spannungen durch eine Hochgeschwindigkeitsaufzeichnung der NV-Fluoreszenz erfassen, können wir die Geschwindigkeit, Empfindlichkeit und Auflösung unseres Diamant-Bildgebungschips bestimmen.
Wir konnten die Empfindlichkeit weiter steigern, indem wir die Oberfläche des Diamanten in „Nanosäulen“ strukturierten – konische Strukturen, in deren Spitzen die NV-Zentren eingebettet waren. Diese Säulen leiten das von den NVs emittierte Licht zur Kamera und erhöhen so die Signalmenge, die wir erfassen können, dramatisch.
Mit der Entwicklung des Diamond Voltage Imaging-Mikroskops zum Nachweis neuronaler Aktivität ist der nächste Schritt die Aufzeichnung der Aktivität von kultivierten Neuronen in vitro – dies sind Experimente an Zellen, die außerhalb ihres normalen biologischen Kontexts, auch bekannt als Reagenzglas oder Petrischale, gezüchtet wurden Experimente.
Was diese Technologie von bestehenden hochmodernen In-vitro-Techniken unterscheidet, ist die Kombination aus hoher räumlicher Auflösung (in der Größenordnung von einem Millionstel Meter oder weniger), großem räumlichen Maßstab (einige Millimeter in jeder Richtung – was z ein Netzwerk von Neuronen in Säugetieren ist ziemlich groß) und eine vollständige Stabilität im Laufe der Zeit.
Kein anderes bestehendes System kann diese drei Qualitäten gleichzeitig bieten, und es ist diese Kombination, die es unserer in Melbourne hergestellten Technologie ermöglichen wird, einen wertvollen Beitrag zur Arbeit von Neurowissenschaftlern und Neuropharmakologen weltweit zu leisten.
Unser System wird diese Forscher dabei unterstützen, sowohl grundlegendes Wissen als auch die nächste Generation von Behandlungen für neurologische und neurodegenerative Erkrankungen zu entwickeln.
DJ McCloskey et al., Ein Diamant-Voltage-Imaging-Mikroskop, Naturphotonik (2022). DOI: 10.1038/s41566-022-01064-1