La capacidad de apuntar y estimular las neuronas aporta una serie de beneficios que incluyen una mejor comprensión de la función cerebral y el tratamiento de enfermedades neurológicas. En la actualidad, Las matrices de microelectrodos (MEA) de última generación pueden estimular las neuronas con alta precisión, pero carecen de especificidad de tipo celular y requieren una implantación invasiva que puede resultar en daño tisular; piense en los estimuladores que se utilizan para ayudar a los pacientes con temblores. Catedrático de Ciencia e Ingeniería de Materiales, e Ingeniería Biomédica, Tzahi Cohen-Karni y su equipo han estado explorando nuevos materiales para permitir la fotoestimulación remota, o el uso de luz para estimular las células.

Las células pueden "hablar" entre sí enviando y recibiendo señales eléctricas. Dentro de la membrana de una célula, una neurona en nuestro cerebro, por ejemplo, hay poros diminutos llamados canales iónicos que permiten que los iones entren y salgan de la célula. Bajo condiciones normales, los flujos de iones a través de la membrana dictan si una célula enviará una señal eléctrica a sus vecinas. En años recientes, Los investigadores han demostrado que es posible utilizar pulsos de luz para alterar las propiedades de la membrana celular y generar una señal eléctrica que puede controlar la comunicación celular. El equipo de Cohen-Karni tiene como objetivo identificar materiales efectivos para controlar las actividades celulares sin causar angustia. Reconocieron que el grafeno multidimensional (grafeno difuso) se presentaba como un gran candidato para la estimulación celular, pero descubrieron que algunos materiales eran difíciles de producir y no podían absorber suficiente luz para transferir la luz al calor de manera eficiente.

En su investigación actual publicada por la American Chemical Society, Cohen-Karni se centró en las escamas de carburos / nitruros de metales de transición (MXenes), un nanomaterial bidimensional (2D) único descubierto por el equipo del Dr. Yury Gogotsi en la Universidad de Drexel. Se ha demostrado que los MXenes exhiben excelentes propiedades mecánicas, alta conductividad eléctrica, excelentes propiedades electroquímicas, y lo que es más importante, son fáciles y económicos de producir.

En lugar de estudiar el material por sus propiedades a granel, El equipo de Cohen-Karni midió las propiedades fototérmicas del material en un solo nivel de escamas. El equipo dispersó escamas en la superficie del ganglio de la raíz dorsal (DRG), células en el sistema nervioso periférico, y los iluminó con breves pulsos de luz. Al estudiar la interfaz entre células y materiales, quedó claro que las células no absorberían las escamas y Cohen-Karni pudo medir con precisión la cantidad de luz necesaria para crear el cambio celular.

"Lo que es realmente único acerca de los materiales que estamos usando en mi laboratorio es que no necesitamos usar pulsos de alta energía para obtener una estimulación efectiva". "Cohen-Karni explicó." Al hacer brillar pulsos cortos de luz en la interfaz DRG-MXene, descubrimos que la electrofisiología de la célula se alteró con éxito ".

Entonces, ¿qué significa esto para el futuro de la neurología? Con una mayor comprensión de cómo lograr la estimulación neuronal y la facilidad de producción de MXene, los investigadores pueden practicar de manera más eficiente la fotoestimulación remota. Por ejemplo, los investigadores podrían incrustar MXenes en tejido artificial diseñado en forma de cerebro, y luego usar la luz para controlar la actividad neuronal y descubrir aún más el papel de las neuronas en el desarrollo del cerebro. Finalmente, este material incluso podría usarse como un tratamiento no invasivo para las discapacidades de la función neuronal, como temblores.

Otros miembros del equipo involucrados en la investigación fueron los estudiantes de Ingeniería y Ciencia de los Materiales Yingqaio Wang y Raghav Garg; Jane E. Hartung y Michael S. Gold de la Universidad de Pittsburgh; Adam Goad y Dipna A. Patel de la Universidad de Drexel; y Flavia Vitale de la Universidad de Pennsylvania y el Centro de Neurotrauma, Neurodegeneración, y Restauración.