Odhalte tajemství spánku a bdění pomocí duální analýzy mozkových signálů

Pozadí

Pochopení dynamických nervových mechanismů cyklů spánku a bdění je hlavní výzvou ve vědě o spánku a neuroinženýrství. Spánek, nezbytný pro udržení mozkové homeostázy a kognitivních funkcí, závisí na složité koordinaci mezi neuronální elektrickou aktivitou a neurochemickými signály ve specifických oblastech mozku. Nucleus accumbens, klíčový uzel v odměňovacím a motivačním okruhu, byl identifikován jako kritický pro regulaci přechodů do fáze spánku prostřednictvím dynamiky dopaminu a vzorců spouštění neuronů.

Stávající technologie neurálního snímání však čelí významným omezením při dosahování současné in-situ detekce elektrofyziologických a neurochemických signálů. Ačkoli některé studie integrovaly elektrochemické funkce do mikroelektrodových polí, současné systémy trpí dvěma hlavními překážkami: spoléhání se na externě implantované referenční elektrody, které způsobují značné poškození tkáně a špatnou dlouhodobou stabilitu, a tradiční metody potahování, které vedou k přeslechům signálu mezi funkčními místy, což ohrožuje jak citlivost, tak věrnost.

Průběh výzkumu

Průlomu v technologii neurálního snímání bylo dosaženo díky spolupráci mezi týmem profesora Cai Xinxia z National Key Laboratory of Sensor Technology v Aerospace Information Research Institute, Čínské akademie věd, a týmem profesora Yu Yanqina z Zhejiang University. Úspěšně vyvinuli nové trojité elektrodové integrované vícekanálové pole mikroelektrod, které umožňuje simultánní monitorování neurochemických a elektrofyziologických signálů u volně se chovjících zvířat.

Výzkumný tým implementoval inovativní cílenou modifikační strategii, která vytvořila specializovaná funkční místa v rámci integrovaného trojelektrodového systému. Pracovní elektroda snímající dopamin byla vylepšena kompozitem PtNPs/PEDOT:PSS/Nafion pro dosažení vynikající selektivity a citlivosti. Pro elektrofyziologický záznam byly elektrody modifikovány pomocí PtNPs/PEDOT:PSS, aby se výrazně snížila impedance a optimalizovala kvalita signálu. Mezitím byla referenční elektroda potažena IrOx, aby byla zajištěna výjimečná dlouhodobá stabilita během aplikací in vivo. Tato sofistikovaná konstrukce umožňuje vysoce výkonnou elektrochemickou detekci a elektrofyziologický záznam v rámci jediné kompaktní sondy.

Skenovací elektronová mikroskopie potvrdila zřetelné morfologické charakteristiky každého funkčního místa bez vzájemné kontaminace mezi povlaky. Elektrochemické místo obsahovalo vrstvu Nafion, zatímco sousední záznamová místa zůstala čistá, což demonstrovalo přesnou prostorovou kontrolu na mikroměřítku. Referenční elektroda vykazovala porézní IrOx strukturu, ideální pro stabilní potenciální odezvu.

Experimenty in vivo na volně se pohybujících myších zachytily dynamické uvolňování dopaminu a nervovou aktivitu ve fázích spánku a bdění. Hladiny dopaminu dosáhly vrcholu během bdělosti, klesly na nejnižší úroveň během spánku bez rychlého pohybu očí (NREM) a nejvýrazněji vzrostly během přechodů z REM spánku do bdění, což zdůrazňuje roli dopaminu v přechodech mezi spánkovým stavem.

Další analýza identifikovala tři odlišné neuronové populace: REM-inaktivní neurony (RIN), REM-stabilní neurony (RSN) a REM-rytmické neurony (RRN). RSN a RRN vykazovaly nejvyšší rychlost střelby během bdělosti a nejnižší během spánku NREM. Je pozoruhodné, že jejich dynamika střelby byla úzce synchronizována s fluktuacemi dopaminu, což poskytuje přímý důkaz dopaminergní modulace v regulaci spánku a bdění.

Vyhlídky do budoucna

Toto trojité elektrodové integrované mikroelektrodové pole vytváří inovativní dual-modální snímací platformu pro synchronizované monitorování elektrofyziologických a neurochemických aktivit v hlubokých oblastech mozku. Modulární design platformy umožňuje funkční rozšíření úpravou strategií cílených modifikací, což umožňuje specifickou detekci dalších neurotransmiterů, jako je glutamát a serotonin. Tento integrovaný přístup ke snímání otevírá nové cesty pro dekódování hlubokých mozkových okruhů v reálném čase, optimalizaci rozhraní mozek-počítač a přesné vyhodnocování neuromodulačních terapií s širokými důsledky pro základní neurovědu a klinické aplikace.