biologistes de recherche, chimistes et théoriciens du U.S. Naval Research Laboratory (NRL), sont sur le point de développer la prochaine génération de matériaux fonctionnels qui pourraient permettre la cartographie des connexions neuronales complexes dans le cerveau. L'objectif ultime est de mieux comprendre comment les milliards de neurones du cerveau communiquent entre eux pendant le fonctionnement normal du cerveau, ou dysfonctionnement, à la suite d'une blessure ou d'une maladie.

« Il y a un intérêt énorme à cartographier toutes les connexions neuronales dans le cerveau humain, " a déclaré le Dr James Delehanty, biologiste de recherche, Centre de science et d'ingénierie biomoléculaires. "Pour ce faire, nous avons besoin de nouveaux outils ou matériaux qui nous permettent de voir comment de grands groupes de neurones communiquent entre eux tout en, à la fois, être capable de se concentrer sur l'activité d'un seul neurone. Nos travaux les plus récents ouvrent potentiellement l'intégration de nanomatériaux sensibles à la tension dans des cellules et des tissus vivants dans une variété de configurations pour atteindre des capacités d'imagerie en temps réel qui ne sont actuellement pas possibles. »

La base de la communication neuronale est la modulation en fonction du temps de la force du champ électrique qui est maintenu à travers la membrane plasmique de la cellule. C'est ce qu'on appelle un potentiel d'action. Parmi les nanomatériaux envisagés pour une application dans l'imagerie du potentiel d'action neuronal, on trouve les points quantiques (QD) - des nanomatériaux semi-conducteurs cristallins possédant un certain nombre d'attributs photophysiques avantageux.

"Les QD sont très lumineux et photostables, vous pouvez donc les regarder longtemps et ils permettent des configurations d'imagerie tissulaire qui ne sont pas compatibles avec les matériaux actuels, par exemple, colorants organiques, " Delehanty a ajouté. " Tout aussi important, nous avons montré ici que la luminosité QD suit, avec une très haute fidélité, les changements d'intensité de champ électrique résolus dans le temps qui se produisent lorsqu'un neurone subit un potentiel d'action. Leur taille à l'échelle nanométrique en fait des matériaux de détection de tension à l'échelle nanométrique idéaux pour l'interface avec les neurones et d'autres cellules électriquement actives pour la détection de tension."

Les QD sont petits, brillant, matériaux photo-stables qui possèdent des durées de vie de fluorescence nanosecondes. Ils peuvent être localisés à l'intérieur ou sur les membranes plasmiques cellulaires et ont une faible cytotoxicité lorsqu'ils sont interfacés avec des systèmes cérébraux expérimentaux. En outre, Les QD possèdent des ordres de grandeur de section efficace à deux photons supérieurs à ceux des colorants organiques ou des protéines fluorescentes. L'imagerie à deux photons est la modalité d'imagerie préférée pour l'imagerie en profondeur (millimètres) dans le cerveau et d'autres tissus du corps.

Dans leurs travaux les plus récents, les chercheurs du LNR ont montré qu'un champ électrique typique de ceux trouvés dans les membranes neuronales entraîne la suppression de la photoluminescence QD (PL) et, pour la première fois, que QD PL est capable de suivre le profil de potentiel d'action d'un neurone en feu avec une résolution temporelle en millisecondes. Il est démontré que cet effet est lié à l'ionisation QD entraînée par champ électrique et à la trempe QD PL qui en résulte, en contradiction avec la sagesse conventionnelle que la suppression du QD PL est attribuable à l'effet Stark confiné quantique - le déplacement et la division des raies spectrales des atomes et des molécules en raison de la présence d'un champ électrique externe.

"Les propriétés de photostabilité supérieures inhérentes aux QD couplées à leur sensibilité à la tension pourraient s'avérer avantageuses pour les capacités d'imagerie à long terme qui ne sont actuellement pas réalisables avec des colorants organiques sensibles à la tension traditionnels, " Delehanty a déclaré. " Nous prévoyons que la poursuite des recherches facilitera la conception et la synthèse rationnelles de sondes QD sensibles à la tension qui peuvent être intégrées dans une variété de configurations d'imagerie pour l'imagerie fonctionnelle robuste et la détection de cellules électriquement actives. "