Усиление обоняния саранчи с помощью наночастиц

Сенсорные системы обладают высокой адаптивностью. Исследователи из Инженерной школы Маккелви при Вашингтонском университете в Сент-Луисе разработали метод для адаптации биологических сенсорных систем по требованию для достижения их пиковой производительности. Их инструменты: саранча и наноматериалы.

Профессора Шрикант Сингаманени и Барани Раман возглавили команду, которая использовала специальные наноструктуры, способные поглощать свет и создавать тепло (фототермический эффект), а также выступать в качестве контейнеров для хранения и высвобождения химических веществ по требованию. Этими материалами они усилили нейронный ответ в мозге саранчи на определённые запахи и улучшили их распознавание. Результаты исследования опубликованы в Nature Nanotechnology 25 января 2024 года.

Принцип работы биогибридной системы

Идея заключается в использовании биологии для преобразования информации о химических веществах в электрический нейронный сигнал с помощью обонятельной системы насекомого. Электроды, размещённые в мозге, измеряют нейронный ответ на запахи, который служит "отпечатком" для различения химикатов.

"Мы ограничены количеством электродов и местом их размещения. Поскольку мы получаем лишь частичный сигнал, мы хотим его усилить. Для этого мы обратились к теплу и нейромодуляции", — пояснил Сингаманени.

Две стратегии усиления

1. Фототермический нагрев: Команда создала биосовместимые и биоразлагаемые полидофаминовые наночастицы, преобразующие свет в тепло. Локальный нагрев усиливает нейронную активность.
2. Контролируемый выброс нейромодуляторов: Наноструктуры могут быть загружены химическими веществами (например, нейромодулятором октопамином) и покрыты материалом с фазовым переходом — тетрадеканолом, который тверд при комнатной температуре и плавится при нагреве. При нагреве теми же нанонагревателями происходит высвобождение хранимых веществ.

"Наше исследование представляет общую стратегию для обратимого усиления нейронных сигналов в том месте мозга, где мы размещаем электроды", — сказал Раман.

Значение работы

"Разработанная нами стратегия нано-нейромодуляции открывает новые возможности для создания адаптированных киборг-подходов к химическому зондированию", — отметил Прашант Гупта, первый автор статьи. Этот подход превращает пассивное считывание информации в активный процесс, полностью использующий возможности нейронных цепей для обработки информации.