Za nevroznanstvenike predstavljajo enega največjih izzivov pri raziskovanju in manipuliranju centralnega živčnega sistema (možganov) relativno toga ter ne pretirano sofisticirana orodja, ki jih imamo trenutno na razpolago v nevroznanosti.
A kljub temu obstajajo številni razlogi za optimizem, saj si mnogi raziskovalci prizadevajo, da bi preboje v nanotehnologiji aplicirali na področje nevroloških raziskav.
Kot poroča spletni portal Singularity Hub, je nevroznanost zaradi hitrih izboljšav t. i. vmesnikov med možgani in stroji (ang. brain-machine interfaces) ter prelomnih novih metod, kot sta funkcionalno slikanje z magnetno resonanco (ang. functional magnetic resonance imaging), ki omogoča sledenje nevronski aktivnosti po celotnih možganih in optogenetika (tj. metoda, ki omogoča neposredni nadzor posameznih nevronov s svetlobo) v zadnjih nekaj desetletjih doživela pravo tehnološko revolucijo. Kljub vsemu temu napredku pa smo trenutno še vedno precej oddaljeni od tega, da bi lahko natančno kartirali in stimulirali velike dele možganov primatov na ravni posameznih živčnih celic (nevronov). Če bi zmogli doseči kaj takega, bi to neizbežno imelo izjemne posledice tako za naše razumevanje možganov, kot tudi za našo sposobnost, da izboljšamo njihovo delovanje in bolj učinkovito zdravimo različne nevrološke bolezni.
Obetavno področje NanoNevro
Avtorji pred nedavnim objavljenega članka v reviji Nature Methods poudarjajo, da je ključ za premostitev te vrzeli posebna podkategorija nevroznanosti imenovana “NanoNevro”, ki pridobitve iz področja nanotehnologije (tj. tehnološka disciplina, ki se ukvarja z manipulacijo in uporabo materije na atomski, molekularni in supramolekularni ravni) in lastnosti nanomaterialov uporablja na področju nevroznanosti. Kot nanomateriale lahko sicer definiramo vse, tako organske kot tudi anorganske materiale, ki imajo vsaj v eni izmed svojih dimenzij velikost med 1 in 100 nanometri (en nanometer je ena milijardinka metra oz. 1 x 10^-9 m). Zaradi takšnih miniaturnih dimenzij je za nanomateriale značilno, da imajo unikatne optične, elektronske, termične in mehanske lastnosti. Raziskovalci menijo, da bi edinstvene lastnosti in izjemno majhna velikost nanomaterialov lahko omogočile raziskovanje nevronskih mrež na povsem nove načine ter na ravni doslej nepredstavljivih meril. Najbolj očitna aplikativna raba nanotehnologije je preprosto zmanjšanje velikosti standardnega nabora orodij za nevroznanost (stentrod, možganskih vsadkov, kohelarnih in bioničnih vsadkov itd.). Načrti za izdelavo in praktično aplikacijo nanosond ter nanoelektrod, ki za zmanjšanje njihove velikosti predvidevajo uporabljajo istih procesov, ki so poganjali miniaturizacijo računalniških čipov, predvidevajo njihovo uporabo za snemanje na ravni velikosti zgolj nekaj nevronov.
Miniaturna medicinska orodja za vpogled v možgane
Nanosonde, ki jih v nevroznanosti uporabljajo za raziskovanje centralnega živčnega sistema (možganov) se imenujejo stentrode; to so izjemno majhne elektrode, vgrajene v biokompatibilen material, ki jih z vstavitvijo v krvno žilo pošljemo v možgane, s čimer se izognemo odprti nevrokirurški operaciji. Te stentrode imajo idealne lastnosti za raziskovanje centralnega živčnega sistema, med drugim prilagodljivost, optično funkcionalnost, zmožnost zaznavanja različnih kemikalij itd. Pri njihovem razvoju raziskovalci eksperimentirajo z različnimi materiali za njihovo izdelavo, kot so npr. kremen, ogljikove nanocevke in grafen, izmed katerih ima vsak svoje edinstvene lastnosti. Morda je najpomembneje dejstvo, da te mikroskopsko majhne elektrode odpirajo vrata sondiranju nevronskih aktivnosti na subcelični ravni. Glede na izjemno nevronsko aktivnost, ki poteka v posameznikovem živčnem sistemu, bi to lahko bistveno izboljšalo naše razumevanje kritičnih vidikov delovanja možganov.
Več vrst potencialno uporabnih nanodelcev
Nanotehnologija pa ne pomeni zgolj pomanjševanja medicinskih pripomočkov. Fizikalne zakonitosti namreč delujejo na precej drugačnih principih, ko se spustimo na raven atomov in molekul, kar pomeni, da imajo lahko nanomateriali edinstvene lastnosti, ki omogočajo povsem nove aplikativne možnosti. Osnovne zakonitosti tako imenovane kvantne fizike, ki prevzame nadzor, ko se spustimo na takšno mikroskopsko majhno raven se namreč precej razlikujejo od zakonitosti običajne vsakdanje fizike, ki obvladuje naše življenje na makroravni.
Izmed konkretnih primerov lahko izpostavimo štiri razrede obetavnih nanodelcev. Prvi med njimi so t. i. plazmonični nanodelci (ang. plasmonic nanoparticles), ki imajo edinstvene optične lastnosti, ki jim omogočajo preprosto spreminjanje njihove fizične velikosti in oblike. Ti delci bi se na področju nevrologije teoretično lahko uporabljali za izboljšanje obstoječih optogenetskih pristopov (optogenetika je biološka tehnika, ki zajema uporabo svetlobe za nadzor nevronov, ki so bili gensko spremenjeni za izražanje svetlobno občutljivih ionskih kanalov), uporaba svetlobe za njihovo vzburjanje in segrevanje pa bi omogočila tudi sprožitev posameznih nevronov z zelo visoko natančnostjo. Omeniti velja tudi t. i. “kvantne pike” (ang. quantum dots) – nanodelci, ki oddajajo svetlobo v različnih barvah, ko nanje apliciramo energijo – imajo možnost postati trajnejša in bolj sofisticirana alternativa trenutno masovno uporabljanim fluorescenčnim barvilom, ki se dandanes uporabljajo za slikovno diagnostiko živčevja. Njihovo fluorescenco modulirajo tudi električna polja, zato bi jih lahko uporabili za optično odčitavanje aktivnosti nevronov. Čedalje več znanja posedujemo o še enem obetavnem razredu nanodelcev, ki ima sposobnost, da lahko absorbira več nizkoenergijskih elektronov in jih pretvori v visokoenergetske. Gre za tako imenovane “nanodelce, ki se spreminjajo” (ang. upconverting nanoparticles), s katerimi so raziskovalci v eksperimentih laboratorijskim mišim omogočili, da vidijo v infrardeči svetlobi, to pa so storili tako da so jih vbrizgali neposredno v mrežnice živali, kjer so ti nato prevajali dohodne signale v vidno svetlobo. Potencialno najkoristnejšo aplikacijo nanomaterialov pa verjetno predstavljajo t. i. magnetni nanodelci (ang. magnetic nanoparticles). Ker magnetna polja na človeško telo skoraj ne vplivajo, jih lahko brez velikih tveganj pošljemo globoko v biološko tkivo z majhnim vplivom nanj. Nanodelci, ki so sposobni pretvoriti magnetna polja v dražljaje, ki sprožijo nevrone, predstavljajo idealno orodje za moduliranje možganskih aktivnosti.
Po mnenju avtorjev članka iz Nature Methods je pred nevroznanstveniki še dolga pot. Učinkovit transport nanodelcev točno tja, kjer bi si jih želeli, trenutno predstavlja občuten izziv, prav tako pa je veliko zanimanja tudi za proizvodnjo velikega števila le-teh brez prevelikih vložkov energije. Medtem ko zgodnje študije kažejo, da so mnogi nanomateriali biokompatibilni (zmožni nemoteno delovati v biološkem tkivu – torej znotraj človeškega telesa), bo za dokazovanje, da so dejansko dovolj varni za uporabo pri ljudeh, potrebnega še nekaj časa. Strokovnjaki pa kljub temu ostajajo optimistični, saj bi premagovanje teh ovir lahko privedlo do pomembnih prebojev v naši sposobnosti snemanja in upravljanja velikih nevronskih mrež in vivo (na živem posamezniku), kar bi po mnenju avtorjev prispevka lahko močno vplivalo na nevrologijo kot jo poznamo danes.
Piše Matej M.
