新材料有助于使用光刺激神经

靶向和刺激神经元的能力带来了许多好处，包括更好地了解大脑功能和治疗神经系统疾病。目前，最先进的微电极阵列 (MEA) 可以高精度地刺激神经元，但它们缺乏细胞类型特异性，并且需要侵入性植入，这可能会导致组织损伤——想想用于帮助颤抖患者的刺激器。材料科学与工程和生物医学工程教授 Tzahi Cohen-Karni 和他的团队一直在探索允许远程光刺激或使用光刺激细胞的新材料。

细胞可以通过发送和接收电信号相互“交谈”。在细胞膜内，例如我们大脑中的神经元，有称为离子通道的小孔，可以让离子进出细胞。在正常情况下，跨膜离子的通量决定了细胞是否会向其邻居发送电信号。近年来，研究人员已经证明可以使用光脉冲改变细胞膜的特性并引发可以控制细胞通讯的电信号。Cohen-Karni 的团队旨在确定可有效控制细胞活动而又不会造成困扰的材料。他们认识到多维石墨烯(模糊石墨烯)是细胞刺激的绝佳候选者，但发现某些材料难以生产并且无法吸收足够的光以有效地将光转化为热量。

在化学学会发表的最新研究中，Cohen-Karni 专注于过渡金属碳化物/氮化物 (MXenes) 薄片，这是一种独特的二维 (2D) 纳米材料，由 Drexel 大学的 Yury Gogotsi 博士的团队发现。MXenes 已被证明具有出色的机械性能、高导电性、优异的电化学性能，并且重要的是易于生产且成本低廉。

Cohen-Karni 的团队没有研究材料的整体特性，而是在单个薄片水平上测量了材料的光热特性。该团队将薄片散布在背根神经节 (DRG) 的表面，即周围神经系统中的细胞，并用短脉冲光照亮它们。通过研究细胞和材料之间的界面，很明显薄片不会被细胞吸收，Cohen-Karni 可以准确地测量产生细胞变化所需的光量。

“我们在实验室中使用的材料的真正独特之处在于，我们不需要使用高能脉冲来获得有效刺激，”Cohen-Karni 解释说。“通过在 DRG-MXene 界面上照射短脉冲，我们发现细胞的电生理被成功改变。”

那么这对神经病学的未来意味着什么呢?随着对如何实现神经刺激和 MXene 生产的简易性有了更多的了解，研究人员可以更有效地进行远程光刺激。例如，研究人员可以将 MXenes 嵌入以大脑形式设计的人造组织中，然后利用光来控制神经活动，进一步揭示神经元在大脑发育中的作用。最终，这种材料甚至可以用作神经功能障碍(如震颤)的非侵入性治疗。

参与研究的其他团队成员包括材料科学与工程系学生 Yingqaio Wang 和 Raghav Garg;匹兹堡大学的 Jane E. Hartung 和 Michael S. Gold;德雷塞尔大学的 Adam Goad 和 Dipna A. Patel;宾夕法尼亚大学和神经创伤、神经和恢复中心的 Flavia Vitale。

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