Нейроны удалось привить к металлу

Двумерный фиолетовый экситон, получаемый при освещении пленки диоксида титана.

Известный фантастический фильм «Матрица» обыгрывал идею виртуальной реальности, в которой приходится существовать людям будущего. Но это вульгарное представление не учитывает главного – мозга, представляющего собой мощнейший креативный процессор самой разнообразной информации, понять принципы работы которого пытаются нейробиологи. Проблема № 1 в изучении загадок клеточной биологии – создание эффективных интерфейсов нейрон-чип.

Клетки бывают свободно перемещающимися – эдакие «номады» крови и других биожидкостей – и «оседлыми». Последние покоятся на волокнистой подложке, или матричном субстрате, регулирующем их биологию и физиологию (нормальная матрица не дает клеткам «срываться» с места и трансформироваться). Толщина этой матрицы измеряется нанометрами, клеток же – микронами, что в 1000 раз больше. И вот, похоже, нанотехнологам удалось решить вопрос о толщине функциональных подложек.

Речь идет о монослойных пленках оксида титана (TiO2), с помощью которых удалось повысить КПД солнечных батарей. Фотоны света, падающие на такую пленку, выбивают электрон. В результате возникает так называемая положительно заряженная «дырка». На этом явлении основана работа, например, электронно-дырочного полевого транзистора. Однако на квантовом уровне возможно возникновение и одновременно существующих или «связанных» друг с другом электронов и дырок, дающих вместе двумерное возбужденное состояние (экситон). Размытые на плоскости экситоны с наименьшей энергией возбуждения позволят развивать фотовольтаику – получение электрического тока за счет энергии света – и фотохимический катализ, создавать сверхчувствительные сенсоры и сканеры оптического считывания.

Взаимодействие молекул воды с титаном в его окисидной пленке. Иллюстрация Physorg

Смог в крупнейших городах мира заставляет ученых все пристальнее исследовать альтернативу в виде водородной энергетики. Даже в иссушенном воздухе раскаленных пустынь есть достаточное количество воды, которую можно разлагать на том же оксиде титана, получая при этом водород. Сотрудники Тихоокеанской лаборатории Северо-Запада сумели определить параметры разложения воды и энергетические профили этого процесса. Об этом сообщает американский журнал PNAS в статье «Определение равновесия молекулярной и депротонированной воды на TiO2».

Дело в том, что исследователи выяснили: эффективность процесса зависит от ориентации молекул воды, струя которой направлялась на пленку TiO2. Если кислород воды контактирует с атомом титана, то происходит образование двух гидроксид-ионов (–ОН), один из которых перемещается свободно, а другой связан с восстановленным титаном (HO–Ti). Кинетика процесса слегка сдвигает равновесие в сторону «цельной» воды. Ученые полагают, что выявленные ими особенности направят поиски коллег в нужном направлении.

Протон, гидроксид-ион и другие ионы определяют жизнеспособность и функционирование клеток (закисление с помощью ионов водорода убивает микрофлору по ходу маринования, молочная кислота «квасит» капусту, а защелачивание с помощью мыла используется в быту). Известными генераторами ионных токов сквозь клеточную мембрану являются нейроны. Изучать их свойства и физиологию весьма сложно, поскольку эти нежные клетки быстро гибнут даже при использовании самых, казалось бы, щадящих методов исследования.

Биоинженеры Калифорнийского университета в г. Сан-Диего (США) предложили «расселять» отдельные нейроны на чиповой матрице с напыленными никелевыми электродами. Но живые клетки плохо реагируют на металлы, которые к тому же под действием воды быстро окисляются, поэтому нейроны помещали на силиконовые нанопроволочки с вертикальными штырьками. Последние в силу своей небольшой высоты не протыкали мембрану нейрона, сохраняя жизнеспособность клетки до полутора месяцев.

С помощью нового чипа удалось замерить клеточные потенциалы действия и покоя, не превышающие 0,1 вольта, а также другие параметры. Ученые измерили даже подпороговые потенциалы в синапсах, то есть в точках межнейрональных связей. Авторы исследования, опубликованного в журнале ACS Nano Letters, полагают, что их новая платформа позволяет проводить долговременные электрофизиологические исследования нервных и других клеток, получаемых из клеток кожи.

Относительно давно известно, что нейроны, полученные, например, от больных шизофренией, растут в культуре не так, как здоровые. Новый чип позволит выявить изменения не только в физиологии и синапсах нервных клеток, но и в их геноме, а также оценивать действие новых лекарств, разрабатываемых для лечения неврологических и душевных расстройств.