一种光敏化合物使光开关中的无热膜调制成为可能

可用于调节神经元活动的光学技术为神经科学和生物学的研究开辟了令人兴奋的可能性。 光学工具允许神经科学家随意激发和抑制神经元或大脑区域.. 因此,它们可用于调查特定脑回路或区域的功能,以及确定神经和精神疾病的新的潜在治疗方法。


针对膜双层或与离子通道相连的偶氮苯光开关的产生是一种开拓性的光学技术,可以进一步帮助人脑的研究。 然而,这种技术,特别是在高光强下实现时,会导致相当大的温度升高,因此在反复使用时对神经元有害。

为了克服这一限制,意大利理工学院(II T)的研究人员与Milano Politecnico di合作,最近开发了一种新的光敏偶氮苯化合物,称为Ziapin2,可用于制造在用可见光照射时温度不升高的光开关。 这种新的化合物,在一篇发表在“自然纳米技术”上的论文中引入,以很高的稳定性划分到质膜中,使其在稳定状态下变薄并增加电容。

开展这项研究的研究人员之一Guglielmo Lanzani告诉Tech Xplore说:“我们的研究受到了两次观察的启发(或生物启发)。” “第一种情况是,基本上自然界都是用光致变色分子捕捉活细胞中的光。 视网膜光感受器中的视网膜)。 第二种情况是,神经元膜的扰动,特别是电容的变化(储存电荷的能力)导致细胞兴奋,这是通过加热细胞观察到的。

光致变色分子,如ChiaraBertarelli、GuglielmoLanzani和FabioBenfenati设计的偶氮苯化合物,在吸收光后可以改变形状。 这种变化也会影响它们的一些性质,包括它们的空间位阻(即它们所占的体积)、颜色和电学性质。

当应用于膜时,这一特性允许光致变色分子充当机械开关或弹簧,在吸收光时调节膜的厚度,从而改变其电容。 这反过来又导致一系列现象,最终导致神经元的动作电位。

兰扎尼解释说:“我们的研究方法使我们能够获得一种非热刺激机制,在活细胞和组织中诱导光敏感。” 我们的方法也是非遗传的(避免基因治疗)和非共价的(避免细胞的永久性化学修饰)。 换言之,它是一种微创工具。

当他们将毫秒的可见光脉冲施用于加载他们所产生的化合物的神经元时,Benfenati、Lanzani和他们的同事观察到了一个由此产生的瞬态超极化,随后是一个延迟的去极化,最终触发动作电位的发射。 这些效应被发现是持续的,研究人员能够在体内连续7天诱导它们。

Benfenati告诉Tech Xplore说:“我们研究的主要成果是,我们能够在没有光遗传学操作的情况下刺激神经元,并且不直接干扰膜离子通道。” “我们这样做只是通过促使膜的瞬时变形,使神经元在黑暗中电更稳定,并在光刺激下释放,从而唤起动作电位放电。”

Ziapin2是由Lanzani、Benfenati、Bertarelli及其同事引入的化合物,可在毫秒时间尺度内调节膜电容,而不引起温度的变化。 在未来,它可以用来开发对神经元危害较小的神经科学研究的光电开关。

“我们的进一步研究计划有两个方面,”Benfenati说。 一方面,我们计划在视网膜退化的实验模型或挑战病变的脑回路时,加强Ziapin的应用。 另一方面,我们正在寻找Ziapin变体,它们更易溶于水(因此可以更安全地使用),并且在膜中停留更长时间。”

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