動(dòng)物大腦由數(shù)百億個(gè)神經(jīng)元或神經(jīng)細(xì)胞組成，它們通過神經(jīng)遞質(zhì)相互交流來執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，如處理情緒、學(xué)習(xí)和做出判斷。這些小信號(hào)分子在神經(jīng)元之間擴(kuò)散(從高濃度區(qū)域移動(dòng)到低濃度區(qū)域)，充當(dāng)化學(xué)信使。
科學(xué)家認(rèn)為，這種擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可能是大腦卓越功能的核心。因此，他們的目標(biāo)是通過使用電流分析法和微透析法檢測(cè)特定神經(jīng)遞質(zhì)在大腦中的釋放，從而了解它們的作用。然而，這些方法提供的信息不足，需要更好的傳感技術(shù)。
為此，科學(xué)家們開發(fā)了一種光學(xué)成像方法，其中蛋白質(zhì)探針在檢測(cè)到特定的神經(jīng)遞質(zhì)時(shí)會(huì)改變其熒光強(qiáng)度。最近，由YasuoYoshimi教授領(lǐng)導(dǎo)的日本芝浦工業(yè)大學(xué)的一組研究人員將這一想法向前推進(jìn)。他們成功合成了熒光分子印跡聚合物納米粒子(fMIP-NPs)，用作檢測(cè)特定神經(jīng)遞質(zhì)——血清素、多巴胺和乙酰膽堿的探針。
值得注意的是，到目前為止，開發(fā)此類探針一直被認(rèn)為是困難的。他們的工作發(fā)表在Nanomaterials上，其中包括YutoKatsumata先生、NaoyaOsawa先生、NeoOgishita先生和RyotaKadoya先生的貢獻(xiàn)。
Yoshimi教授簡(jiǎn)要解釋了fMIP-NP合成的基本原理：“它涉及多個(gè)步驟。首先，將要檢測(cè)的目標(biāo)神經(jīng)遞質(zhì)固定在玻璃珠表面。接下來，具有不同功能的單體(聚合物的構(gòu)建塊)——檢測(cè)，交聯(lián)和熒光——在珠子周圍聚合，包裹神經(jīng)遞質(zhì)。然后將生成的聚合物洗掉，得到一個(gè)納米粒子，其神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)構(gòu)印記為空腔。它只適合目標(biāo)神經(jīng)遞質(zhì)，就像只適合一把特定的鑰匙可以打開鎖。因此，fMIP-NPs可以檢測(cè)大腦中相應(yīng)的神經(jīng)遞質(zhì)。”
當(dāng)目標(biāo)神經(jīng)遞質(zhì)適合腔內(nèi)時(shí)，fMIP-NPs膨脹并變大。研究人員認(rèn)為，這增加了熒光單體之間的距離，進(jìn)而減少了它們之間的相互作用，包括抑制熒光的自淬滅。結(jié)果，熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，表明存在神經(jīng)遞質(zhì)。
研究人員通過在fMIP-NP合成過程中調(diào)整玻璃珠表面的神經(jīng)遞質(zhì)密度來提高檢測(cè)的選擇性。
此外，發(fā)現(xiàn)用于固定神經(jīng)遞質(zhì)的材料的選擇在檢測(cè)特異性中起著至關(guān)重要的作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，混合硅烷比純硅烷更適合將神經(jīng)遞質(zhì)、血清素和多巴胺附著到玻璃珠表面。使用混合硅烷合成的fMIP-NP可特異性檢測(cè)血清素和多巴胺。
相比之下，使用純硅烷合成的那些會(huì)產(chǎn)生非特異性fMIP-NP，它們對(duì)非目標(biāo)神經(jīng)遞質(zhì)有反應(yīng)，將它們錯(cuò)誤地識(shí)別為血清素和多巴胺。同樣，發(fā)現(xiàn)聚([2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化銨(METMAC)-co-甲基丙烯酰胺)而非METMAC均聚物是神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿的有效虛擬模板。前者產(chǎn)生可選擇性檢測(cè)乙酰膽堿的fMIP-NP，而后者導(dǎo)致納米顆粒無反應(yīng)。
這些結(jié)果證明了fMIP-NPs在選擇性檢測(cè)我們大腦中釋放的神經(jīng)遞質(zhì)方面的可行性。“用這種新技術(shù)對(duì)大腦進(jìn)行成像可以揭示神經(jīng)遞質(zhì)擴(kuò)散與大腦活動(dòng)之間的關(guān)系。這反過來可以幫助我們治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，甚至可以創(chuàng)造出模仿人腦功能的先進(jìn)計(jì)算機(jī)，”Yoshimi教授說。
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