美国圣路易斯华盛顿大学的研究人员开发了一种非侵入性技术，该技术使用聚多巴胺(PDA)纳米颗粒和近红外光来操纵大脑神经元和心脏心肌细胞的电活动。带负电荷的 PDA 纳米粒子选择性地与神经元结合，吸收产生热量的近红外光，然后将热量传递给神经元，抑制它们的电活动。相关研究发表在《Advanced Material》上。
图注：聚多巴胺纳米颗粒（PDA NP）介导的神经元光热刺激示意图。位于神经元膜上的PDA纳米颗粒（蓝色图，左图）通过近红外光的光热转换调节神经活动（红色图，中间）。右侧：电极上神经元的扫描电子显微镜（SEM）图像（插图：高倍SEM）
控制选择性神经元群体，以理解并建立神经活动和整体行为结果之间的因果关系，是系统神经科学的一项重大挑战。在过去几年中，利用纳米级物质的独特性质来应对这一巨大挑战受到越来越多的关注。在旨在调节生物过程的众多方法中，一种特别有吸引力的方法是光调节，这是一种利用光作为外部刺激的过程。
在旨在调节生物过程的众多方法中，一种特别有吸引力的方法是光调节，这是一种利用光作为外部刺激的过程。由于细胞本身对光刺激不敏感，因此插入光敏离子通道并随后刺激这些离子通道以进行选择性神经控制（即光遗传学），已成为众多研究中越来越受欢迎的主要工具。虽然光遗传学技术很有前景，并且已经彻底改变了旨在了解几种不同神经群体的计算和行为作用的基础研究，但这些技术仍存在一些有待解决的局限性。这些包括：i) 激发嵌入组织深处神经元的能力； ii) 在有或不具有丰富遗传工具库的情况下，在不同模式生物中广泛使用的能力； iii) 神经元的分级控制； iv) 以并发方式控制不同神经元子集的能力； v) 所提出的将受控神经元恢复到其原始配置的方法的可逆性；更重要的是，vi) 开发非侵入性方法的可行性。
为了解决其中一些缺点，近年来成功地探索并测试了使用纳米材料在非遗传电和热刺激中的应用。 其中，光热方法在刺激神经元细胞方面显示出巨大的前景和多功能性。 据报道，水吸收红外 (IR) 光，将其转化为热能可实现可逆地改变电容，从而改变神经细胞的兴奋性。然而，直接的红外刺激是一种非特异性方法，可以激发（或抑制）光学照明目标区域中的许多神经元。利用热能作为刺激来激活神经元可以高度局部化，以避免对神经元放电及其行为的整体影响。等离子纳米结构，如金纳米棒 (AuNRs)，作为局部光热传感器，已被用于使用近红外 (NIR) 光在体外调节（抑制/刺激）神经活动。 基于射频磁场的磁性纳米颗粒加热也被证明在离子通道的热激活和培养神经元中触发动作电位方面有效。磁性纳米粒子也被用于靶向运动小鼠的运动皮层，并通过磁热刺激调节其运动。在可以将光能转化为热能的各种纳米材料中，聚多巴胺 (PDA) 纳米粒子是神经元调节的特别有前途的候选者，因为它们优异的光热性能、生物相容性、生物降解性和容易的表面功能化。基于 PDA 的纳米材料已被广泛研究作为光热癌症治疗的光热剂。 此外，由于它们的生物相容性和与细胞的优异相互作用，基于 PDA 的纳米材料已被证明是神经元接口的有希望的候选者。
在这里，研究人员探索使用生物相容性和可生物降解的聚多巴胺（PDA）纳米颗粒和一种新型的高度多孔生物泡沫作为光热剂，以非破坏性的方式用近红外光刺激可兴奋的细胞，如神经元和心肌细胞。
在808nm激光照射下，利用这种新的纳米材料方法对可激发细胞周围的温度进行了定位。对神经元活动的变化进行监测和量化，以了解不同光热加热条件的影响。测量在微电极阵列（MEA）上培养的神经元和心肌细胞的电活动，以评估PDA纳米颗粒和PDA基泡沫调节细胞兴奋性的能力。
研究表明在PDA纳米颗粒存在下，在 PDA 纳米粒子的存在下，在功率密度低至 3 mW/mm2 的 NIR 激光照射下，神经元的尖峰率被显着抑制。随着激光功率密度的逐渐增加，尖峰率单调下降。神经活动的恢复时间取决于辐照功率密度和辐照持续时间。神经活动抑制和恢复可在连续10次激光照射中重复进行。也就是说，抑制这些神经元的活动并停止它们的放电，不仅仅是断断续续，而是以分级的方式，通过控制光照强度，可以控制神经元的电活动。一旦停止光照，就可以完全恢复它们而不会造成任何损害，已经证明了这种非侵入性神经调节方法的稳健性。
随着激光功率密度从4 mW/mm2增加到14 mW/mm2，心肌细胞组织的搏动速率逐渐增加。为了提高光热剂与神经培养物和脑组织连接的便利性，设计并实现了3D胶原蛋白/PDA纳米颗粒泡沫，并将其作为“附加”贴片应用于培养的神经元。与胶体PDA纳米颗粒相比，3D泡沫表现出优越的光热和神经调节性能，即使在低至3 mW/mm2 的激光功率密度下，神经元活动也减少了90%以上。
“当你将奶油倒入热咖啡中时，它会通过扩散过程溶解并变成奶油咖啡，”论文作者解释道。 “这类似于控制哪些离子流入和流出神经元的过程。扩散取决于温度，所以如果你能很好地控制热量，你就可以控制靠近神经元的扩散速率。这反过来会影响细胞的电活动。这项研究证明了这样一个概念，即在纳米粒子标记的神经元附近，光热效应将光转化为热量，可用作远程控制特定神经元的一种方式。”
与无机光热纳米结构（例如贵金属纳米颗粒）相比，除了能够有效地将光转化为热量之外，PDA 纳米颗粒还具有高度的生物相容性和生物降解性。纳米粒子最终会降解，更适合于体内神经调节，使其成为未来用于体外和体内实验的便捷工具。
这种非遗传光学神经调节方法代表了一种微创方法，用于控制可兴奋细胞的活性，在纳米神经科学和工程中具有潜在应用。
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