Nos systèmes sensoriels sont hautement adaptables. Une personne qui ne peut pas voir après avoir éteint une lumière pendant la nuit atteint lentement un pouvoir supérieur lui permettant de voir même les petits objets. Les femmes acquièrent souvent un odorat accru pendant la grossesse. Comment le même système sensoriel qui était sous-performant peut-il également dépasser les attentes basées sur ses performances antérieures ?

Depuis que la nature a perfectionné ses systèmes sensoriels au fil du temps, une équipe interdisciplinaire de chercheurs de la McKelvey School of Engineering de l'Université de Washington à Saint-Louis a exploité ces capacités pour adapter le système à la demande afin qu'il fonctionne au maximum de ses performances. Leurs outils pour atteindre cet objectif :les criquets et les nanomatériaux trop petits pour être vus.

Srikanth Singamaneni et Barani Raman, tous deux professeurs à la McKelvey School of Engineering, ont dirigé une équipe qui a exploité la puissance de nanostructures spécialement conçues, capables d'absorber la lumière et de créer de la chaleur, connue sous le nom d'effet photothermique, et d'agir comme des conteneurs pour stocker et libérer des produits chimiques. demande. Ils ont utilisé ces matériaux nanostructurés pour stimuler la réponse neuronale du cerveau du criquet à des odeurs spécifiques et pour améliorer leur identification. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Nature Nanotechnology. 25 janvier 2024.

Singamaneni, professeur Lilyan &E. Lisle Hughes au Département de génie mécanique et de science des matériaux, et Raman, professeur de génie biomédical, collaborent depuis des années avec Shantanu Chakrabartty, professeur Clifford W. Murphy au Département de Preston M. Green. Ingénierie électrique et des systèmes, pour exploiter les capacités de détection supérieures du système olfactif des criquets. Récemment, ils ont démontré la faisabilité de l'utilisation d'un nez électronique bio-hybride pour détecter les vapeurs explosives.

"Nous laissons la biologie faire le travail le plus difficile, consistant à convertir les informations sur les produits chimiques vaporisés en un signal neuronal électrique", a déclaré Raman. "Ces signaux sont détectés dans les antennes des insectes et sont transmis au cerveau. Nous pouvons placer des électrodes dans le cerveau, mesurer la réponse neuronale des criquets aux odeurs et les utiliser comme empreintes digitales pour distinguer les produits chimiques."

L'idée, bien que solide, présente un obstacle potentiel.

"Nous sommes limités par le nombre d'électrodes et par l'endroit où nous pouvons les placer", a déclaré Singamaneni. "Puisque nous n'obtiendrons qu'un signal partiel, nous voulons amplifier ce signal. C'est là que nous nous sommes tournés vers la chaleur et la neuromodulation pour améliorer le signal que nous obtenons."

Dans la nouvelle recherche, l'équipe a utilisé deux stratégies pour renforcer la capacité des criquets à détecter les odeurs. Tout d'abord, l'équipe a créé une nanoparticule de polydopamine biocompatible et biodégradable qui convertit la lumière en chaleur grâce à un processus appelé effet photothermique.

"La chaleur affecte la diffusion", a déclaré Raman. "Imaginez ajouter du lait froid au café chaud. L'idée est d'utiliser la chaleur générée par les nanostructures pour chauffer localement, par exemple, un nanoréchauffeur, et améliorer l'activité neuronale."

Deuxièmement, ces matériaux nanostructurés peuvent être fabriqués pour charger des produits chimiques à stocker. Cependant, ils doivent être encapsulés par un matériau de recouvrement. L’équipe a utilisé un matériau à changement de phase appelé tétradécanol, qui est solide à température ambiante et se transforme en liquide lors du chauffage. Lorsqu'ils sont chauffés, les mêmes nanochauffeurs suintent les produits chimiques stockés en eux en plus de générer de la chaleur.

Singamaneni et l'équipe ont stocké l'octopamine, un neuromodulateur impliqué dans diverses fonctions, et l'ont libéré à la demande. Habituellement, ces neuromodulateurs sont libérés en fonction des besoins de l'organisme. Cependant, grâce aux éléments chauffants nanostructurés, ils ont été libérés à la demande pour améliorer les signaux neuronaux.

"Notre étude présente une stratégie générique pour améliorer de manière réversible les signaux neuronaux au niveau du site cérébral où nous plaçons les électrodes", a déclaré Raman.

"La stratégie de neuromodulation nano-activée que nous avons développée ouvre de nouvelles opportunités pour réaliser des approches de détection chimique cyborg sur mesure", a déclaré Prashant Gupta, étudiant diplômé du laboratoire de Singamaneni et premier auteur de l'article. "Cette approche modifierait une approche passive existante où les informations sont simplement lues en une approche active où les capacités des circuits neuronaux comme base pour le traitement de l'information sont pleinement utilisées."

Plus d'informations : Prashant Gupta et al, Augmentation des performances olfactives des insectes grâce à la nano-neuromodulation, Nature Nanotechnology (2024). DOI :10.1038/s41565-023-01592-z

Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle

Fourni par l'Université de Washington à St. Louis