動物大腦由數(shù)百億個神經(jīng)元或神經(jīng)細胞組成，它們通過神經(jīng)遞質(zhì)相互交流來執(zhí)行復雜的任務，如處理情緒、學習和做出判斷。這些小信號分子在神經(jīng)元之間擴散(從高濃度區(qū)域移動到低濃度區(qū)域)，充當化學信使。
科學家認為，這種擴散運動可能是大腦卓越功能的核心。因此，他們的目標是通過使用電流分析法和微透析法檢測特定神經(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。
為此，科學家們開發(fā)了一種光學成像方法，其中蛋白質(zhì)探針在檢測到特定的神經(jīng)遞質(zhì)時會改變其熒光強度。最近，由YasuoYoshimi教授領導的日本芝浦工業(yè)大學的一組研究人員將這一想法向前推進。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。
Yoshimi教授簡要解釋了fMIP-NP合成的基本原理：“它涉及多個步驟。首先，將要檢測的目標神經(jīng)遞質(zhì)固定在玻璃珠表面。接下來，具有不同功能的單體(聚合物的構建塊)——檢測，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，得到一個納米粒子，其神經(jīng)遞質(zhì)結構印記為空腔。它只適合目標神經(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可以檢測大腦中相應的神經(jīng)遞質(zhì)。”
當目標神經(jīng)遞質(zhì)適合腔內(nèi)時，fMIP-NPs膨脹并變大。研究人員認為，這增加了熒光單體之間的距離，進而減少了它們之間的相互作用，包括抑制熒光的自淬滅。結果，熒光強度增強，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特異性中起著至關重要的作用。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可特異性檢測血清素和多巴胺。
相比之下，使用純硅烷合成的那些會產(chǎn)生非特異性fMIP-NP，它們對非目標神經(jīng)遞質(zhì)有反應，將它們錯誤地識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)生可選擇性檢測乙酰膽堿的fMIP-NP，而后者導致納米顆粒無反應。
這些結果證明了fMIP-NPs在選擇性檢測我們大腦中釋放的神經(jīng)遞質(zhì)方面的可行性。“用這種新技術對大腦進行成像可以揭示神經(jīng)遞質(zhì)擴散與大腦活動之間的關系。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計算機，”Yoshimi教授說。
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