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MIT黑科技,大脑中的多巴胺也能精密追踪了?

2017/03/16 来源: 药明康德
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导读
多巴胺是很多神经递质中的一种。大脑内的神经元通过神经递质彼此沟通联系。此前,用于测量这些神经递质的系统在以下两个方面受到限制:一是能够提供精确读取所花费的时间,二是在大脑中可以覆盖的范围。

多巴胺是很多神经递质中的一种。大脑内的神经元通过神经递质彼此沟通联系。此前,用于测量这些神经递质的系统在以下两个方面受到限制:一是能够提供精确读取所花费的时间,二是在大脑中可以覆盖的范围。

在MIT的新设备中,微小的碳电极阵列,克服了这两个障碍。


Michael Cima教授(图片来源:MIT)

“没有人真正的在这样的空间尺度和时间尺度测量了神经递质的行为。拥有这样一个工具就可以允许我们探索潜在的神经递质相关的疾病,”研究的高级作者,来自MIT材料科学与工程学院的Michael Cima教授谈道。

此外,由于阵列如此微小,它具有最终适用于人类的潜力,监测旨在提高多巴胺水平的疗法是否成功。许多人类的脑疾病,广为人知的帕金森就与多巴胺的失调有关。

“现在深度脑刺激被用于治疗帕金森疾病,我们假设刺激能够在某种程度上使得大脑内的多巴胺供应重启,但是没有人真正测量到这一点,” MIT科赫研究所的博士后Helen Schwerdt谈道。他领导了此次的研究。


Michael Cima教授与Robert Langer教授(图片来源:MIT)

在这个项目中,Cima的实验室与同在MIT David H. Koch研究所的Robert Langer教授和 Ann Graybiel教授合作。Robert Langer教授在药物递送方面有着丰富的研究经历。Ann Graybiel教授在过去数十年中致力于研究多巴胺在大脑活动中所扮演的角色,尤其是在称为纹状体的大脑区域中。纹状体内产生多巴胺的细胞对于习惯的形成和奖励强化学习是非常关键的。

此前,神经科学家们通过具有约100微米轴直径的碳电极来测量大脑内的多巴胺。然而,它们能够被可靠使用的时间只有一天,因为它们会产生瘢痕组织,会干扰电极与多巴胺相互作用的能力。


MIT设计了直径只有10微米的电极,并将它们组成八个电极阵列。这些精密电极被称为PEG的高聚物所包裹,保护它们在进入大脑组织时保持精密性。然而,PEG会在插入的过程中溶解,因此它不会进入大脑。

这些微电极与大尺寸版本一样以同一种方式测量多巴胺。研究者通过电极施加振荡电压,并且当电压达到某个临界点,在附近的多巴胺就会经历电化学反应,产生可以测量的电流。通过这种技术,可以在毫秒时间尺度来监测多巴胺的存在。

使用这种阵列,研究人员可以一次监控纹状体中许多位置的多巴胺水平。

“我们现在可以有机会更好的测量纹状体中的多巴胺水平,这一想法促使了我们追求这种高密度的阵列,现在我们在纹状体中有16个探针,而不是一个,”Schwerdt指出。

研究人员发现,多巴胺水平在纹状体中存在很大的跨度差异。这并不奇怪,因为他们并不期待整个纹状体区域都浸泡在持续的多巴胺中,但这种差异一度很难被证明,因为此前的方法中一侧只能测量一个区域。

研究人员现在着手测试这些电极可以测量电信号可以持续多长的时间,并且目前为止,设备已经持续工作了两个月。有了此类长其工作的传感器,科学家可以追踪一段时间内多巴胺的改变,例如形成一个习惯或者学习了一项新的技能。


Ann Graybiel教授(图片来源:MIT)

“我们和其他的人一直在努力获得长期良好的信号读取,”来自MIT麦戈文研究所大脑研究的Graybiel谈道,“我们需要找出大脑紊乱小鼠模型中多巴胺究竟发生了什么,或者在动物学习某些技能的过程中多巴胺发生了什么。”

她还希望可以知道更多的关于纹状体中被称为病理体的结构所扮演的角色。这些细胞簇是Graybiel在多年前发现的,散布在整个纹状体内。她所在的实验室近年来的工作表明,病理体参与了诱发焦虑的决定。

这个研究是Cima和Graybiel实验室间更大合作的一部分,也包括可发可以注射的药物递送装置以治疗脑疾病。

Schwerdt谈道,“将所有这些研究联合起来是因为我们一直尝试找到一种方法,实现化学与大脑的接口。如果我们能够与大脑之间进行化学的通讯,会使得我们的治疗或者测量更有针对性和选择性,我们就能够更好的理解发生了什么。”

参考资料:

[1] Subcellular probes for neurochemical recording from multiple brain sites

[2] Precise technique tracks dopamine in the brain

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