Les neuroscientifiques pourraient bientôt être des harponneurs des temps modernes, capter des signaux individuels de cellules cérébrales au lieu de baleines avec de minuscules lances en nanotubes de carbone.

La nouvelle lance de cellules cérébrales mesure un millimètre de long, seulement quelques nanomètres de large et exploite les propriétés électromécaniques supérieures des nanotubes de carbone pour capturer les signaux électriques des neurones individuels.

"A notre connaissance, c'est la première fois que des scientifiques utilisent des nanotubes de carbone pour enregistrer des signaux provenant de neurones individuels, ce que nous appelons des enregistrements intracellulaires, dans des tranches de cerveau ou des cerveaux intacts de vertébrés, " a déclaré Bruce Donald, un professeur d'informatique et de biochimie à l'Université Duke qui a aidé à développer la sonde.

Lui et ses collaborateurs décrivent les sondes à nanotubes de carbone le 19 juin dans PLOS UN .

"Les résultats sont une bonne preuve de principe que les nanotubes de carbone pourraient être utilisés pour étudier les signaux des cellules nerveuses individuelles, " a déclaré le neurobiologiste de Duke Richard Mooney, un co-auteur de l'étude. « Si la technologie continue de se développer, cela pourrait être très utile pour étudier le cerveau."

Les scientifiques veulent étudier les signaux des neurones individuels et leurs interactions avec d'autres cellules du cerveau pour mieux comprendre la complexité informatique du cerveau.

Actuellement, ils utilisent deux principaux types d'électrodes, métal et verre, pour enregistrer les signaux des cellules du cerveau. Les électrodes métalliques enregistrent les pics d'une population de cellules cérébrales et fonctionnent bien chez les animaux vivants. Les électrodes en verre mesurent également les pointes, ainsi que les calculs effectués par les cellules individuelles, mais sont délicats et cassent facilement.

"Les nouveaux nanotubes de carbone combinent les meilleures caractéristiques des électrodes en métal et en verre. Ils enregistrent bien à la fois à l'intérieur et à l'extérieur des cellules cérébrales, et ils sont assez flexibles. Parce qu'ils ne se briseront pas, les scientifiques pourraient les utiliser pour enregistrer des signaux provenant de cellules cérébrales individuelles d'animaux vivants, " a déclaré le neurobiologiste de Duke Michael Platt, qui n'a pas participé à l'étude.

Autrefois, d'autres scientifiques ont expérimenté des sondes à nanotubes de carbone. Mais les électrodes étaient épaisses, causer des dommages aux tissus, ou ils étaient courts, limitant jusqu'où ils pourraient pénétrer dans le tissu cérébral. Ils ne pouvaient pas sonder à l'intérieur des neurones individuels.

Pour changer cela, Donald a commencé à travailler sur une sonde à nanotube de carbone semblable à un harpon avec le neurobiologiste de Duke Richard Mooney il y a cinq ans. Les deux se sont rencontrés au cours de leur première année à Yale en 1976, sont restés en contact tout au long de leurs études supérieures et ont commencé à se rencontrer pour parler de leurs recherches après leur arrivée à Duke.

Mooney a parlé à Donald de son travail d'enregistrement des signaux cérébraux de diamants mandarins et de souris vivants. Le travail était exigeant, il a dit, parce que les sondes et les machines pour faire les études étaient grandes et encombrantes sur la petite tête d'une souris ou d'un oiseau.

Avec l'expertise de Donald en nanotechnologie et robotique et celle de Mooney en neurobiologie, les deux pensaient qu'ils pourraient travailler ensemble pour réduire les machines et améliorer les sondes avec des nano-matériaux.

Pour faire la sonde, L'étudiant diplômé Inho Yoon et le physicien de Duke Gleb Finkelstein ont utilisé la pointe d'un fil de tungstène affûté électrochimiquement comme base et l'ont étendu avec des nanotubes de carbone multi-parois auto-enchevêtrés pour créer une tige d'un millimètre de long. Les scientifiques ont ensuite affûté les nanotubes en un minuscule harpon à l'aide d'un faisceau d'ions focalisé à l'Université d'État de Caroline du Nord.

Yoon a ensuite emmené le nano-harpon au laboratoire de Mooney et l'a piqué dans des tranches de tissu cérébral de souris, puis dans le cerveau de souris anesthésiées. Les résultats montrent que la sonde transmet des signaux cérébraux ainsi que, et parfois mieux que, électrodes de verre conventionnelles et est moins susceptible de se briser dans les tissus. La nouvelle sonde pénètre également les neurones individuels, enregistrer les signaux d'une seule cellule plutôt que la population la plus proche d'entre eux.

Sur la base des résultats, l'équipe a déposé un brevet sur le nano-harpon. Platt a déclaré que les scientifiques pourraient utiliser les sondes dans une gamme d'applications, de la science fondamentale aux interfaces cerveau-ordinateur humain et aux prothèses cérébrales.

Donald a déclaré que la nouvelle sonde fait des progrès dans ces directions, mais les couches d'isolation, les capacités d'enregistrement électrique et la géométrie de l'appareil doivent encore être améliorées.