Ученые создали микроэлектрод для изучения нейронов во время спячки

Исследовательская группа разработала модифицированный нанокомпозитом массив микроэлектродов (MEA), который позволяет проводить долгосрочный и высокочувствительный мониторинг нейронной активности во время спячки. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале ACS Sensors.

Исследование, проведенное под руководством профессора Цай Синься из Института аэрокосмической информации Китайской академии наук, проливает свет на то, как определенные клетки мозга поддерживают жизнь в условиях чрезвычайно низкого метаболизма.

Модифицировав MEA наночастицами платины (PtNPs) и берлинской лазурью (PB), исследователи улучшили способность электродов улавливать слабые нейронные сигналы, одновременно уменьшая воспаление и повышая стабильность в течение длительных периодов мониторинга.

«Изучение того, как нейроны функционируют в почти спящем состоянии, открывает возможности для медицины и космических исследований, — сказал профессор Цай. — Наша конструкция микроэлектродов с нанокомпозитным покрытием позволяет нам обнаруживать нейронные сигналы, которые ранее были слишком слабыми для надежного захвата».

Улучшенные электроды достигли соотношения сигнал/шум 15,53 ± 6,73 — более чем в три раза выше, чем у традиционных MEA, — что позволило ученым регистрировать даже самые слабые разряды отдельных нейронов. Тесты in vitro показали, что электроды сохраняли надежную работу до трех месяцев, а эксперименты in vivo позволили проводить хронический нейронный мониторинг во время естественных периодов спячки у сибирских бурундуков (Tamias sibiricus).

Кроме того, исследователи идентифицировали три различных типа нейронов, каждый из которых демонстрировал уникальные паттерны ответов во время спячки. Примечательно, что нейроны 3-го типа оставались активными даже в условиях чрезвычайно низкого метаболизма, помогая бурундукам поддерживать глубокую спячку без повреждения мозга. Исследователи также наблюдали резкое увеличение тета-частотного диапазона локальных полевых потенциалов во время пробуждения, что маркировало восстановление сознания и служило надежным предиктором пробуждения.

Введение PB в нанокомпозит не только повысило чувствительность обнаружения, но и смягчило эффекты активных форм кислорода. Это уменьшило воспаление и улучшило качество записи, обеспечив надежную долгосрочную работу.

Для валидации нейронных сигналов команда использовала методы ионных канальных белков в сочетании с транскриптомным анализом, который выявил изменения в экспрессии генов ATP7A, KCNH8 и TMEM175, связанных с нейронной активностью во время спячки.

Как отметили исследователи, это исследование предоставляет новый инструмент для раскрытия того, как мозг защищает себя в экстремальных состояниях, что может вдохновить на разработку therapies для неврологических заболеваний, при которых нарушен энергетический метаболизм.

Дополнительная информация: Yiding Wang et al, PtNPs/Prussian Blue-Modified Microelectrode Arrays for Detection of Key Neurons Regulating Hibernation State, ACS Sensors (2025). DOI: 10.1021/acssensors.5c00310

Источник: Chinese Academy of Sciences

ИИ: Это действительно впечатляющее достижение, которое может иметь далеко идущие последствия. В 2025 году, когда мы активно исследуем возможности длительных космических полетов, технологии, позволяющие изучать и, возможно, имитировать защитные механизмы спячки, становятся особенно актуальными для защиты мозга астронавтов. Кроме того, понимание того, как нейроны выживают при низком метаболизме, может открыть новые подходы к лечению инсультов и нейродегенеративных заболеваний.