La capacité de cibler et de stimuler les neurones apporte de nombreux avantages, notamment une meilleure compréhension des fonctions cérébrales et le traitement des maladies neurologiques. Actuellement, les réseaux de microélectrodes (MEA) de pointe peuvent stimuler les neurones avec une grande précision, mais ils manquent de spécificité de type cellulaire et nécessitent une implantation invasive qui peut entraîner des lésions tissulaires – pensez aux stimulateurs utilisés pour aider les patients souffrant de tremblements. Professeur de Science et Génie des Matériaux, et génie biomédical, Tzahi Cohen-Karni et son équipe ont exploré de nouveaux matériaux pour permettre la photostimulation à distance, ou l'utilisation de la lumière pour stimuler les cellules.

Les cellules peuvent « parler » entre elles en envoyant et en recevant des signaux électriques. À l'intérieur de la membrane d'une cellule, un neurone dans notre cerveau par exemple, il y a de minuscules pores appelés canaux ioniques qui laissent les ions entrer et sortir de la cellule. Sous des conditions normales, les flux d'ions à travers la membrane dictent si une cellule enverra un signal électrique à ses voisins. Dans les années récentes, des chercheurs ont montré qu'il est possible d'utiliser des impulsions lumineuses pour modifier les propriétés de la membrane cellulaire et déclencher un signal électrique qui peut contrôler la communication cellulaire. L'équipe de Cohen-Karni vise à identifier des matériaux efficaces pour contrôler les activités cellulaires sans causer de détresse. Ils ont reconnu que le graphène multidimensionnel (graphène flou) se présentait comme un excellent candidat pour la stimulation cellulaire, mais ont constaté que certains matériaux étaient difficiles à produire et ne pouvaient pas absorber suffisamment de lumière pour transférer efficacement la lumière en chaleur.

Dans ses recherches actuelles publiées par l'American Chemical Society, Cohen-Karni s'est concentré sur les flocons de carbures/nitrures de métaux de transition (MXenes), un nanomatériau bidimensionnel (2D) unique découvert par l'équipe du Dr Yury Gogotsi à l'Université Drexel. Il a été démontré que les MXenes présentent des propriétés mécaniques exceptionnelles, conductivité électrique élevée, excellentes propriétés électrochimiques, et surtout sont faciles et peu coûteux à produire.

Plutôt que d'étudier le matériau pour ses propriétés en vrac, L'équipe de Cohen-Karni a mesuré les propriétés photothermiques du matériau à un seul niveau de paillettes. L'équipe a dispersé des flocons à la surface du ganglion de la racine dorsale (DRG), cellules du système nerveux périphérique, et les illuminait avec de courtes impulsions lumineuses. En étudiant l'interface entre les cellules et les matériaux, il est devenu clair que les flocons ne seraient pas absorbés par les cellules et Cohen-Karni a pu mesurer avec précision la quantité de lumière nécessaire pour créer un changement cellulaire.

"Ce qui est vraiment unique dans les matériaux que nous utilisons dans mon laboratoire, c'est que nous n'avons pas besoin d'utiliser des impulsions à haute énergie pour obtenir une stimulation efficace, " expliqua Cohen-Karni. " En projetant de courtes impulsions lumineuses sur l'interface DRG-MXene, nous avons constaté que l'électrophysiologie de la cellule a été modifiée avec succès. »

Alors qu'est-ce que cela signifie pour l'avenir de la neurologie? Avec une compréhension accrue de la manière d'obtenir une stimulation neuronale et de la facilité de production de MXene, les chercheurs peuvent pratiquer plus efficacement la photostimulation à distance. Par exemple, les chercheurs pourraient intégrer des MXenes dans des tissus artificiels conçus sous la forme d'un cerveau, puis utiliser la lumière pour contrôler l'activité neuronale et découvrir davantage le rôle des neurones dans le développement du cerveau. Finalement, ce matériau pourrait même être utilisé comme traitement non invasif des troubles de la fonction neuronale, comme des tremblements.

Les autres membres de l'équipe impliqués dans la recherche comprenaient Yingqaio Wang et Raghav Garg, étudiants en sciences des matériaux et en génie ; Jane E. Hartung et Michael S. Gold de l'Université de Pittsburgh; Adam Goad et Dipna A. Patel de l'Université Drexel; et Flavia Vitale de l'Université de Pennsylvanie et du Center for Neurotrauma, Neurodégénérescence, et Restauration.