Lauschen Sie den pH-Werten im Gehirn auf den Zahn.

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Abhören des pH-Werts im Gehirn

Forscher der Tohoku-Universität haben die erste All-in-One-Miniatur-pH-Sonde für Echtzeituntersuchungen der intrinsischen extrazellulären pH-Dynamik in den tiefen Hirnstrukturen entwickelt.

Im Gehirn bilden Milliarden von Neuronen und Gliazellen komplexe und effiziente Netzwerke, die ständig über subtile chemische Signale miteinander kommunizieren, um unsere Verhaltensleistung zu steuern.

Die Gehirnchemie ist die Grundsprache unter den Gehirnzellen. In unserem gesunden Gehirn bleibt die Chemie relativ neutral und muss die säure-alkalischen Schwankungen ständig regulieren. Andernfalls kann es zu chronischen Hirnstörungen wie psychischen Erkrankungen, Gliomen und Krampfanfällen kommen. Die Korrelation von pH-Schwankungen im Gehirn mit Signalen und Funktionen des Gehirns liefert daher ein klareres Verständnis des Einflusses des pH-Werts auf die Funktionsweise unseres Gehirns und dessen Fehlfunktionen in einem erkrankten Zustand.

Trotz der jüngsten technischen Fortschritte bei der elektrischen Aufzeichnung des Gehirns und der chemischen Überwachungstechnologien bleiben Einschränkungen bei der Messung der chemischen Signalübertragung, insbesondere des pH-Werts lebender Organismen, dh in vivo, bestehen.

Das Forscherteam hat diese Einschränkungen behoben, indem es ein Hybridgerät entwickelt hat, das zwei verschiedene Technologien miteinander verbindet: einen Strang dünner Fasern mit nahtloser Integration elektrischer und optischer Funktionen und chemische Sensoren mit durch Licht definierten Messorten. Die Kombination ermöglicht den räumlich aufgelösten In-vivo-Nachweis der intrinsischen chemischen Signalübertragung im Gehirn, insbesondere in den tieferen Regionen, mit hoher räumlicher, zeitlicher und chemischer Auflösung.

“Wir haben das in der Telekommunikationsindustrie herkömmlich verwendete thermische Ziehverfahren genutzt, um Fasern herzustellen, die mehrere Funktionen wie einen optischen Wellenleiter, Elektroden und chemische Kanäle integrieren”, sagte Yuanyuan Guo, Assistenzprofessor am Frontier Research Institute of Interdisciplinary Sciences , Tohoku Universität.

Die Zusammenarbeit mit Professor Tatsuo Yoshinobu von der Graduate School of Biomedical Engineering führte zur Kopplung einer aktiven Komponente – eines chemischen Sensors mit Lichtadressierbarkeit – an die Faser, um eine All-in-One-Hybrid-Sonde für die chemische Erfassung von In-vivo-Detektionen subtiler Chemikalien zu realisieren Veränderungen im Gehirn. Der erste Prototyp konzentrierte sich auf pH-Detektionen.

Die Sonde wurde dank Professor Hajime Mushiake von der Graduate School of Medicine auch auf In-vivo-Messungen getestet. Es konnte leichte pH-Schwankungen als Reaktion auf Anfälle bei Ratten feststellen.

“Der nächste Schritt für unser Team besteht darin, die räumliche, zeitliche und chemische Auflösung auf das Niveau zu verbessern, das für die Skalen der intrinsischen neuronalen Dynamik relevant ist”, fügte Guo hinzu. “Unser technologischer Durchbruch wird unser grundlegendes Verständnis der Gehirnchemie und ihrer Korrelation mit den Gehirnfunktionen verbessern.”

Bereitgestellt von der
Tohoku University

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