高速電子泵成功模擬神經(jīng)信號(hào)：速度堪比活體神經(jīng)元

　　有機(jī)電子離子泵有6個(gè)小孔(位于金色方塊上的黑點(diǎn))，這些小孔能夠高速釋放神經(jīng)遞質(zhì)。為了比較大小，我們把這個(gè)離子泵放在瑞典硬幣(大約1美分硬幣大小)旁邊。人類神經(jīng)元傳遞信息的速度比我們眨眼的速度還快30倍。一個(gè)神經(jīng)元能在10毫秒內(nèi)通過細(xì)胞膜釋放化學(xué)物質(zhì)，隨即鄰近細(xì)胞上的受體接收這種化學(xué)物質(zhì)，信息就這樣被傳遞出去。

　　到目前為止，即使在微流體的作用下，研究者們也仍然模擬不了高速化學(xué)信號(hào)。目前，瑞典 Link?ping 大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)并創(chuàng)造了一種電控離子泵，這種離子泵傳遞神經(jīng)遞質(zhì)的速度和活體神經(jīng)元傳遞的速度相當(dāng)。

　　這款新儀器是在由同一個(gè)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的老版的有機(jī)電子離子泵(OEIP)的基礎(chǔ)上改進(jìn)的版本。此儀器依靠電場(chǎng)使帶電粒子不在任何流體的作用下穿過薄膜。這個(gè)2.5厘米的泵是由金屬制成，通過光刻技術(shù)使聚合物通道印到玻璃上，并且和電源連接。

　　傳統(tǒng)的儀器是將離子從離子源沿著通道水平地移動(dòng)到目標(biāo)區(qū)域，這些離子可能是任何一種小的帶電粒子，如：神經(jīng)遞質(zhì)、質(zhì)子和金屬離子等。上述的橫向運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩慢，有時(shí)從給上電到離子到達(dá)靶點(diǎn)需要數(shù)秒才能完成。然而這種新研發(fā)的泵利用了聚合物薄膜的超薄特點(diǎn)，通過縱向運(yùn)動(dòng)達(dá)到目的。

　　“我們沒有采用橫向穿過數(shù)毫米的薄膜，而是采用了同一種薄膜的縱向厚度，只需要縱向穿過幾百納米。”研究小組的成員 Daniel Simon 說，同時(shí)他還是 Link?ping 大學(xué)有機(jī)電子實(shí)驗(yàn)室的助理教授。

　　它的工作原理是這樣的：

　　電流沿著六條水平路徑推動(dòng)神經(jīng)遞質(zhì)，每條路徑的中間有一個(gè)小孔，一打開開關(guān)，研究人員激活可以改變離子源的電場(chǎng)，迅速將帶電粒子沿著短的豎直通道射向小孔。

　　隨即研究人員給它們?cè)O(shè)定好一個(gè)靶點(diǎn)，比如一個(gè)細(xì)胞或者一片組織。這個(gè)團(tuán)隊(duì)最開始使用乙酰膽堿測(cè)試儀器，乙酰膽堿是大腦和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元連接中的一種常見的神經(jīng)遞質(zhì)，它能使化學(xué)物質(zhì)在 45 到 50 毫秒內(nèi)到達(dá)靶點(diǎn)。

　　這六個(gè)新高速排列的離子傳遞通道都能被分別激活，這就使研究者能夠自由地將神經(jīng)遞質(zhì)傳遞到樣本的任何部分。因此，他們能夠用乙酰膽堿激活培養(yǎng)皿中的一組神經(jīng)元而不破壞到其他神經(jīng)元。

　　目前這個(gè)團(tuán)隊(duì)正在活體細(xì)胞上測(cè)試儀器，除了能夠提高我們研究神經(jīng)元信號(hào)的能力，這種技術(shù)還能打開高速傳遞神經(jīng)遞質(zhì)的腦部移植發(fā)展的大門。將來，這種離子泵還可能聯(lián)合化學(xué)療法，用在如今的大腦電刺激療法上，比如深度刺激大腦來治療癲癇，Simon 說，“通過身體不能正常產(chǎn)生信號(hào)的化合物來治療神經(jīng)退行性疾病，有著無限可發(fā)展的機(jī)會(huì)。”