新的传感器使研究人员能够追踪大脑中的多巴胺

新技术追踪大脑中的多巴胺

麻省理工学院(MIT)一种新的测量多巴胺的发射机克服了早期发射机的局限性,提供更长时间的准确读数,覆盖更多的大脑区域。

一组研究人员麻省理工学院他发明了一种新技术,可以比以前更精确地测量大脑中的多巴胺,这将使科学家们了解多巴胺在学习、记忆和情感中的作用。

多巴胺是大脑中的神经元用来相互交流的众多神经递质之一。以前测量这些神经递质的系统在提供准确读数的时间和它们能覆盖大脑的面积方面受到了限制。麻省理工学院的新设备,一组微小的碳电极,克服了这两个障碍。

“没有人真正测量过这种空间尺度和时间尺度下的神经递质行为。有这样的工具将使我们探索潜在的任何与神经疾病,”David h .科赫教授Michael Cima说工程材料科学与工程系,麻省理工学院的一个成员的科赫研究所综合癌症研究,这项研究的资深作者。

此外,由于阵列是如此微小,它有潜力最终适用于人类,以监测旨在提高多巴胺水平的疗法是否成功。许多人脑疾病,尤其是帕金森病,都与多巴胺的失调有关。

“目前,深部脑刺激被用于治疗帕金森病,我们假设这种刺激以某种方式为大脑补充多巴胺,但没有人真正测量过这一点,”海伦·施华德(Helen Schwerdt)说,她是科赫研究所博士后,也是这篇论文的第一作者,它出现在期刊上芯片上的实验室

研究纹章

对于这个项目,Cima的实验室与大卫·h·科赫研究所教授罗伯特•兰格药研究有着悠久的历史,和学院教授安布耶尔,他们一直在研究大脑中多巴胺的作用几十年来与特定关注了一个叫纹状体的大脑区域。纹状体中的多巴胺产生细胞对习惯形成和奖励强化学习至关重要。

到目前为止,神经科学家已经使用直径约为100微米的碳电极来测量大脑中的多巴胺。然而,这些只能可靠地使用大约一天,因为它们产生的疤痕组织会干扰电极与多巴胺相互作用的能力,而且随着时间的推移,其他类型的干扰膜也会在电极表面形成。此外,Schwerdt说,只有大约50%的几率单个电极会出现在含有可测量多巴胺的地方。

麻省理工学院的研究小组设计了直径只有10微米的电极,并将它们组合成由8个电极组成的阵列。这些精致的电极被包裹在一种叫做PEG的刚性聚合物中,这种聚合物可以保护它们,并防止它们在进入脑组织时发生偏转。然而,PEG在插入过程中会溶解,所以它不会进入大脑。

这些微小电极以与较大版本的方式相同的方式测量多巴胺。研究人员通过电极应用振荡电压,并且当电压在一定点时,附近的任何多巴胺都经历了产生可测量电流的电化学反应。使用该技术,可以在毫秒时间尺度监测多巴胺的存在。

通过这些排列,研究人员证明他们可以同时监测纹状体许多部位的多巴胺水平。

Schwerdt说:“促使我们追求这种高密度阵列的原因是,现在我们有更好的机会测量纹状体中的多巴胺,因为现在我们在纹状体中有8或16个探针,而不是一个。”

研究人员发现,多巴胺水平在纹状体中差异很大。这并不奇怪,因为他们并不期望整个区域持续地沐浴在多巴胺中,但这种变化很难证明,因为以前的方法每次只测量一个区域。

学习是如何发生的

研究人员现在正在进行测试,看看这些电极可以持续发出可测量的信号多久,到目前为止,该设备已经持续工作了两个月。有了这种长期的感知,科学家应该能够追踪多巴胺在很长一段时间内的变化,因为习惯的形成或新技能的学习。

“我们和其他人在获得良好的长期读数中努力争取,”Graybiel说,他是麻省理工学院的麦格森大脑研究所的成员。“例如,我们需要能够找到在脑疾病的小鼠模型中发生的多巴胺会发生什么,或者当动物学习某事时,多巴胺会发生什么。”

她也希望了解更多关于纹状体中被称为纹状体的结构的作用。这些细胞簇是由格雷贝尔多年前发现的,分布在纹状体中。她的实验室最近的研究表明,在做出导致焦虑的决定时,体粒也参与其中。

这项研究是Cima和Graybiel实验室更大规模合作的一部分,同时还包括开发治疗脑部疾病的注射药物输送设备。

Schwerdt说:“将所有这些研究联系在一起的是,我们正试图找到一种与大脑进行化学接触的方法。”“如果我们能以化学方式与大脑沟通,就能使我们的治疗或测量更具针对性和选择性,我们就能更好地理解发生了什么。”

该论文的其他作者是麦戈文研究所的研究科学家Minjung Kim, Satoko Amemori和Hideki Shimazu;麦戈文研究所博士后Daigo Homma;麦戈文研究所技术助理吉田知子;本科生哈希塔·耶拉姆雷迪和埃金·卡拉桑。

该研究由国家卫生研究院,国家生物医学成像和生物工程研究所,以及国家神经疾病和中风研究所。

发表:Helen N. Schwerdt,等,“神经化学记录的亚细胞探针从多个大脑部位,”Lab Chip, 2017,前沿文章;DOI: 10.1039 / C6LC01398H

2的评论关于“新型传感器让研究人员追踪大脑中的多巴胺”

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