Wenn es darum geht, die Gehirnaktivität aufzuzeichnen und zu stimulieren, können sich Wissenschaftler auf ein beeindruckendes Werkzeug verlassen: Licht. Ein internationales Forschungsteam, koordiniert vom IIT-Istituto Italiano di Tecnologia (Italienisches Institut für Technologie), hat nanometrische Lichtmodulatoren entwickelt, die, hergestellt auf einer mikrometrischen optischen Faser, die Faser in die Lage versetzen, neuronales Gewebe in tiefen Regionen des Gehirns zu untersuchen. Der neue Ansatz, veröffentlicht in Fortschrittliche optische Materialien und auf der Titelseite der Zeitschrift abgebildet, legt den Grundstein für eine innovative Art von minimal invasiver neuraler Sonde, die zur Untersuchung des zentralen Nervensystems verwendet werden kann. Perspektivisch sollen die Nanomodulatoren zur Untersuchung spezifischer Hirnerkrankungen, einschließlich Hirntumoren und Epilepsie, eingesetzt werden.
Die Studie wurde vom IIT in Zusammenarbeit mit der Universität Salento (Italien), dem Politecnico Bari (Italien), dem Consejo Superior de Investigaciones Cientificas (CSIC, Spanien) und dem Centro National de Investigaciones Oncologicas (CNIO, Spanien) durchgeführt.
Der Erstautor der Studie ist Filippo Pisano, ein Forscher am Zentrum für biomolekulare Nanotechnologien (CBN) des IIT in Lecce, Italien, das von Marco Grande vom Politecnico di Bari und den CBN-Hauptforschern Ferruccio Pisanello und Massimo De Vittorio koordiniert wird.
In Italien zielte das interdisziplinäre Team darauf ab, mikrometrische Strukturen zu erhalten, die in der Lage sind, neuronales Gewebe detailliert zu untersuchen, indem Licht verwendet wird, dh durch den Einbau optischer Nanomodulatoren. Zu diesem Zweck kombinierten die Wissenschaftler Expertise in der Herstellung im Nanometerbereich und biomedizinischer Neurotechnik, um die Physik von Oberflächenplasmonen-Polaritonen auszunutzen und ein Untersuchungswerkzeug zu schaffen, das die Art und Weise modifiziert und verstärkt, wie Licht bestimmte Gehirnbereiche stimulieren und überwachen kann.
Sie gingen von einer sich verjüngenden optischen Faser aus, die dünner als ein Haar ist, und statteten sie dann mit Nanostrukturen aus, die als Reaktion auf einen Lichtreiz, der von der Faser selbst in tiefe Gehirnregionen eingeführt wird, mitschwingen. Die Nanostrukturen wurden erzeugt, indem die mikroskopische Sondenspitze mit einer dünnen Goldschicht beschichtet wurde. Dann formten sie mit einem Galliumionenstrahl als Meißel ein Gitter aus nanoskopischen optischen Elementen, bestehend aus 100 nm dünnen Linien, deren Eigenschaften in einer Reihe von Mikroskopie- und optischen Spektroskopieexperimenten validiert wurden.
Dank dieser Herstellungsmethode war es möglich, ein Werkzeug zu erhalten, das es ermöglicht, sowohl die Modulation des Sondenlichtstrahls als auch das lokale elektrische Feld zu steuern, das auf Oberflächen wirkt, die vergleichbar mit der Größe von Gehirnzellen sind. Forscher könnten dann möglicherweise die Wechselwirkung zwischen dem Lichtstrahl und neuronalen Strukturen sogar in den tiefsten Bereichen des Gehirns untersuchen.
Die Möglichkeit, solche implantierbaren plasmonischen Systeme zu schaffen, bietet eine neue Perspektive in der Untersuchung des Zentralnervensystems: Die durch die Nanostrukturen erzeugte Verstärkung soll ein effizientes Werkzeug zum Nachweis der biochemischen und zellulären Strukturveränderungen sein, die der Entstehung mehrerer neuraler Störungen zugrunde liegen.
Daher konzentriert sich der in Spanien ansässige Teil des internationalen Teams auf die Anwendung, die er haben könnte. Experimentelle Forscher am CSIC unter der Leitung von Liset M. de la Prida arbeiten daran, diese Sonden bei der Untersuchung von posttraumatischer Epilepsie und neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit anzuwenden. Während die Brain Metastasis Group unter der Leitung von Manuel Valiente am CNIO die Verwendung dieser neuen Technologie untersuchen wird, um primäre von metastatischen Tumoren zu unterscheiden, deren Behandlungen unterschiedlich sind, sowie die Verwendung von Licht, um die Blut-Hirn-Schranke zu permeabilisieren, wodurch anti -Tumormedikamente, um die Gefäßbarriere zu passieren.
Filippo Pisano et al, Plasmonics on a Neural Implant: Engineering Light-Matter Interactions on the Nonplanar Surface of Tapered Optical Fibers, Fortschrittliche optische Materialien (2021). DOI: 10.1002/adom.202101649