Biólogos investigadores, químicos y teóricos del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL), están en camino de desarrollar la próxima generación de materiales funcionales que podrían permitir el mapeo de las complejas conexiones neuronales en el cerebro. El objetivo final es comprender mejor cómo los miles de millones de neuronas del cerebro se comunican entre sí durante el funcionamiento normal del cerebro. o disfunción, como resultado de una lesión o enfermedad.

"Existe un gran interés en mapear todas las conexiones neuronales del cerebro humano, "dijo el Dr. James Delehanty, biólogo investigador, Centro de Ciencia e Ingeniería Biomolecular. "Para hacer eso, necesitamos nuevas herramientas o materiales que nos permitan ver cómo grandes grupos de neuronas se comunican entre sí mientras, al mismo tiempo, ser capaz de concentrarse en la actividad de una sola neurona. Nuestro trabajo más reciente abre potencialmente la integración de nanomateriales sensibles al voltaje en células y tejidos vivos en una variedad de configuraciones para lograr capacidades de imágenes en tiempo real que actualmente no son posibles ".

La base de la comunicación neuronal es la modulación dependiente del tiempo de la fuerza del campo eléctrico que se mantiene a través de la membrana plasmática de la célula. A esto se le llama potencial de acción. Entre los nanomateriales que se están considerando para su aplicación en la formación de imágenes de potencial de acción neuronal se encuentran los puntos cuánticos (QD), nanomateriales semiconductores cristalinos que poseen una serie de atributos fotofísicos ventajosos.

"Los QD son muy brillantes y fotoestables, por lo que puede mirarlos durante mucho tiempo y permiten configuraciones de imágenes de tejidos que no son compatibles con los materiales actuales. por ejemplo, tintes orgánicos, "Agregó Delehanty." Igualmente importante, hemos mostrado aquí que el brillo QD sigue, con muy alta fidelidad, los cambios de intensidad de campo eléctrico resueltos en el tiempo que ocurren cuando una neurona experimenta un potencial de acción. Su tamaño a nanoescala los convierte en materiales de detección de voltaje a nanoescala ideales para interactuar con neuronas y otras células eléctricamente activas para la detección de voltaje ".

Los QD son pequeños, brillante, materiales fotoestables que poseen una vida útil de fluorescencia de nanosegundos. Pueden localizarse dentro o sobre las membranas plasmáticas celulares y tienen baja citotoxicidad cuando se interconectan con sistemas cerebrales experimentales. Adicionalmente, Los QD poseen una sección transversal de acción de dos fotones órdenes de magnitud mayor que los tintes orgánicos o las proteínas fluorescentes. Las imágenes de dos fotones son la modalidad de imágenes preferida para obtener imágenes profundas (milímetros) en el cerebro y otros tejidos del cuerpo.

En su trabajo más reciente, Los investigadores del NRL demostraron que un campo eléctrico típico de los que se encuentran en las membranas neuronales da como resultado la supresión de la fotoluminiscencia QD (PL) y, por primera vez, que QD PL es capaz de rastrear el perfil del potencial de acción de una neurona que dispara con una resolución de milisegundos. Se muestra que este efecto está conectado con la ionización QD impulsada por campo eléctrico y la consiguiente extinción de QD PL, en contradicción con la sabiduría convencional de que la supresión del QD PL es atribuible al efecto Stark confinado cuántico:el desplazamiento y la división de las líneas espectrales de átomos y moléculas debido a la presencia de un campo eléctrico externo.

"Las propiedades superiores de fotoestabilidad inherentes de los QD, junto con su sensibilidad al voltaje, podrían resultar ventajosas para las capacidades de obtención de imágenes a largo plazo que actualmente no se pueden lograr con los colorantes orgánicos tradicionales sensibles al voltaje, ", Dijo Delehanty." Anticipamos que la investigación continua facilitará el diseño racional y la síntesis de sondas QD sensibles al voltaje que se pueden integrar en una variedad de configuraciones de imágenes para la obtención de imágenes y detección funcionales robustas de células eléctricamente activas ".