Понимание учеными протоколов работы распределенной нейронной сети было облегчено появлением микроэлектронных матричных записывающих устройств (MЗУ), способных к записи активности множества нейронов одновременно. Эти исследователи убеждены, что одновременная запись с многих локализаций в ткани может открыть код действий высшей мозговой деятельности. Проф. Барклей Моррисон (prof. Barclay Morrison) в 2009 г. сообщил, что они стали использовать новый тип MЗУ с электродами, сделанными не из металла, а из вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (VACNF). Они показали, что эти устройства могут выполнять стандартные процедуры электрофизиологического исследования на уровне и выше уже существующих коммерческих MЗУ. Исследователями был показан потенциал электродов, основанных на нанотрубках, для установления интерфейса с легковозбудимыми клетками (Resident Neuroelectrochemical Interfacing Using Carbon Nanofiber Arrays). Углеродные нанотрубки электрохимически активные структуры, которые могут быть объединены в параллельные матрицы, используя обычные инструменты и подходы микроинженерии. В противовес к стандартным плоским матрицам, нанотрубки обеспечивают новые неплоскостные высокодифференцированные структуры, которые предоставляют уникальные возможности для исследования вне- и внутриклеточных процессов. Ранее было продемонстрировано, что эти структуры могут создавать интерфейс с индивидуальными клетками, но не было известно, возможны ли соединение с интактной тканью и запись потенциалов. Теперь якобы доказательства этому получены, результаты исследования показаны в статье Vertically Aligned Carbon Nanofiber Arrays Record Electrophysiological Signals from Hippocampal Slices. Для своих экспериментов исследователи изготовили устройства, состоящие из 40 VACNF-электродов. Для записи электрической активности была взята ткань области гиппокампа. Производилась запись как обычной деятельности, так и сигналов после раздражения.
Считается, что в области нейроинженерии углеродные электроды имеют несколько потенциальных преимуществ перед другими типами. Наиболее важно, что эти электроды хорошо подходят для электрохимических измерений в нейронном окружении и могут использоваться для мониторинга химических изменений нервной ткани, усиливать способности нейронов к восприятию как электрических сигналов, так и уровня медиаторов и могут привести к разработке и возникновению новых типов нейропротезов.
Результаты исследований, полученные в различных научных лабораториях, показывают, что углеродные нанотрубки (УНТ) могут быть использованы в нейроинженерии и для фундаментальных исследований поведения нервных клеток, и для практического применения для изучения роста и организации нейронной сети, улучшения эффективности передачи сигналов в нервной системе, создания биосовместимого интерфейса, наноэлектродов.
Несмотря на большой интерес нейрофизиологов, биологов и других исследователей к углеродным нанотрубкам, детали взаимодействия «нейрон УНТ» пока малоизвестны. Значительный прогресс в этой области достигнут в работах коллектива авторов из Италии и Швейцарии. Ученые в течение 812 дней культивировали нервные клетки гиппокампа (гиппокамп часть головного мозга) крыс на подложках из одностенных нанотрубок (ОСНТ). Для получения подложек раствор нанотрубок осаждали на стекло, где после термообработки образовывалась механически прочная пленка толщиной 5070 нм. Данные электронной микроскопии показали, что по всей подложке разрослись нейроны, имеющие размеры и морфологию, типичные для здоровых клеток. И не просто разрослись, а тесно соединились с нанотрубками! Детальный анализ с помощью микроскопии более высокого разрешения выявил наличие плотного контакта мембраны нейрона с нанотрубкой, что очень важно для создания интерфейса «нейронная ткань внешнее устройство». Рост нейронов и образование функциональной сети на ОСНТ указывает на полную биосовместимость этих живых и неживых объектов.
Основной результат работы: в нейронах возникали отклики на внешнюю электростимуляцию, осуществляемую через нанотрубки с помощью подсоединенного к подложке Ag-электрода. Таким образом, нанотрубки не только хорошая поверхность для выращивания нейронной сети, они могут и способствовать повышению эффективности работы мозга благодаря передаче по ним электрического сигнала.
В последующих экспериментах ученые использовали как одностенные, так и многостенные нанотрубки. Влияние УНТ на функции нейронов исследовали, сравнивая данные для гиппокампальных клеток крыс, культивированных 812 дней на УНТ-пленках и контрольных подложках. Материалами контрольных подложек служили оксид индия-олова ITO, имеющий высокую электропроводность, и пептиды неэлектропроводные, но самособирающиеся в нановолокна, похожие на нанотрубки.
Были использованы стандартные электрофизиологические методы, которые позволили зарегистрировать заметное повышение синаптической активности для УНТ-образцов. Результаты подтвердили специфичность нанотрубок, т.к. ни высокая электропроводность первой контрольной подложки, ни нановолокнистая структура второй не помогли стимулировать нейроны. Далее авторы изучили, как нанотрубка может влиять на электрические свойства отдельного, изолированного от сети нейрона. На основании результатов измерений и математического моделирования они пришли к выводу, что нанотрубка может служить «цепью короткого замыкания» между телом нейрона и отростками, таким образом «приближая» к телу удаленные участки нейрона. Если это действительно так, то можно надеяться, что углеродные нанотрубки помогут не только устранить некоторые заболевания и нарушения нервной системы, но и смогут заметно повысить эффективность работы мозга. Это действительно научный прорыв в создании новых форм «биоконтактов» между живыми и неживыми элементами нервной ткани человека, и это направление заслуживает поддержки и фундаментального изучения.
Исследования американских ученых показали, что годятся не всякие подложки из проводящих УНТ! Оказывается, существует достаточно узкий диапазон электропроводности, оптимальный для эффективного развития нейронов. Авторы работы синтезировали ОСНТ, добавили полиэтиленгликоль (ПЭГ), способствующий их растворению и, соответственно, улучшающий биосовместимость, в УЗ-ванне получили однородную дисперсию и распылением нанесли на горячее покровное стекло однородную пленку. Изменяя толщину пленки, можно было контролируемым образом менять электропроводность. Материалы подложек толщиной 10, 30 и 60 нм имели удельную электропроводность 0,3; 28 и 42 См/см соответственно. Для контроля использовали покровные стекла, покрытые неэлектропроводным полиэтиленимином (ПЭИ), который применяется в нейробиологии для активизации адгезии и роста клеток. Культуры гиппокампальных нейронов крыс выращивали на подложках в течение 3 дней. Нейроны имели флуоресцентную метку, и их рост можно было наблюдать с помощью флуоресцентной и интерференционно-контрастной микроскопии. Цель исследований понять, какую роль играет «пассивная» проводимость. Выяснилось, что разрастание нейронов на 30- и 60-нанометровых ОСНТ-ПЭГ пленках не отличалось от контроля. А вот для подложки толщиной 10 нм общее разрастание отростков и длина всех ветвей заметно увеличились для каждого нейрона. Эти наблюдения могут объяснить различия в результатах, полученных в ряде экспериментов с электропроводными подложками.