Materiali nanostrutturati per potenziare la risposta neurale nel cervello delle locuste a odori specifici e per migliorarne l'identificazione.
I ricercatori hanno amplificato i segnali neuronali provenienti dal cervello degli insetti per ottenere migliori prestazioni di rilevamento chimico
I sistemi olfattivi biologici sono altamente sensibili e selettivi e spesso superano i sensori chimici ingegnerizzati in ambienti altamente complessi e dinamici. Di conseguenza, c’è molto interesse nell’utilizzo di sistemi biologici per costruire sensori. Tuttavia, gli approcci per leggere le informazioni dai sistemi biologici, in particolare i segnali neurali, tendono a non essere ottimali a causa del numero di elettrodi che possono essere utilizzati e della posizione in cui questi possono essere posizionati.
I nostri sistemi sensoriali sono altamente adattabili. Una persona che non riesce a vedere dopo aver spento la luce di notte acquisisce lentamente una capacità superiore per vedere anche gli oggetti più piccoli. Le donne spesso raggiungono un senso dell'olfatto accentuato durante la gravidanza.
Come è possibile che lo stesso sistema sensoriale che aveva prestazioni insufficienti possa anche superare le aspettative basate sulle sue prestazioni precedenti?
Poiché la natura ha perfezionato i suoi sistemi sensoriali su scale temporali evolutive, un team interdisciplinare di ricercatori della McKelvey School of Engineering presso la Washington University di St. Louis ha sfruttato queste capacità per adattare il sistema su richiesta con lo scopo di raggiungere le massime prestazioni. I loro strumenti per ottenere questo obiettivo: locuste e nanomateriali troppo piccoli per essere visti.
Srikanth Singamaneni (1) e Barani Raman (2), entrambi professori della McKelvey School of Engineering, hanno guidato un team che ha sfruttato la potenza di nanostrutture appositamente realizzate in grado di assorbire la luce e creare calore, noto come effetto fototermico, e agire come contenitori per immagazzinare e rilasciare sostanze chimiche sull'ambiente. Hanno utilizzato questi materiali nanostrutturati per potenziare la risposta neurale nel cervello delle locuste a odori specifici e per migliorarne l'identificazione. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Nature Nanotechnology. (3)
Singamaneni, professore di Lilyan & E. Lisle Hughes presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Scienza dei Materiali, e Raman, professore di ingegneria biomedica, collaborano da anni con Shantanu Chakrabartty, professore di Clifford W. Murphy presso il Dipartimento di Ingegneria di Preston M. Green Ingegneria elettrica e dei sistemi, per sfruttare le capacità di rilevamento superiori del sistema olfattivo delle locuste. Recentemente hanno dimostrato la fattibilità dell'utilizzo di un naso elettronico bioibrido per rilevare i vapori esplosivi.
«Lasciamo che sia la biologia a fare il lavoro più difficile di convertire le informazioni sulle sostanze chimiche vaporose in un segnale neurale elettrico», ha detto Raman. «Questi segnali vengono rilevati nelle antenne degli insetti e trasmessi al cervello. Possiamo posizionare elettrodi nel cervello, misurare la risposta neurale delle locuste agli odori e usarli come impronte digitali per distinguere le sostanze chimiche».
L’idea, sebbene valida, ha un potenziale ostacolo.
«Siamo limitati dal numero di elettrodi e da dove possiamo posizionarli», ha detto Singamaneni. «Dato che riceveremo solo un segnale parziale, vogliamo amplificarlo. È qui che ci siamo rivolti al calore e alla neuromodulazione per migliorare il segnale che riceviamo».
Nella nuova ricerca, il team ha utilizzato due strategie per aumentare la capacità delle locuste di rilevare gli odori. Innanzitutto, il team ha creato una nanoparticella di polidopamina biocompatibile e biodegradabile che converte la luce in calore attraverso un processo chiamato effetto fototermico.
«Il calore influenza la diffusione», ha detto Raman. «Immagina di aggiungere latte freddo al caffè caldo. L'idea è di utilizzare il calore generato dalle nanostrutture per riscaldare localmente, ad esempio, un nanoriscaldatore e migliorare l'attività neurale».
In secondo luogo, questi materiali nanostrutturati possono essere realizzati per caricare sostanze chimiche per lo stoccaggio. Tuttavia, devono essere incapsulati da un materiale di copertura. Il team ha utilizzato un materiale a cambiamento di fase chiamato tetradecanolo che è solido a temperatura ambiente e passa allo stato liquido dopo il riscaldamento. Una volta riscaldati, gli stessi nanoriscaldatori trasmettono le sostanze chimiche immagazzinate al loro interno oltre a generare calore.
Singamaneni e il team hanno immagazzinato l'octopamina, un neuromodulatore coinvolto in varie funzioni, e lo hanno rilasciato su richiesta. Di solito, questi neuromodulatori vengono rilasciati in base alle esigenze dell’organismo. Tuttavia, utilizzando i riscaldatori nanostrutturati, sono stati rilasciati su richiesta per migliorare i segnali neurali.
«Il nostro studio presenta una strategia generica per migliorare in modo reversibile i segnali neurali nel sito del cervello in cui posizioniamo gli elettrodi», ha detto il professor Raman.
«La strategia di neuromodulazione nano-abilitata che abbiamo sviluppato apre nuove opportunità per realizzare approcci su misura di rilevamento chimico dei cyborg», ha affermato Prashant Gupta (4), uno studente laureato nel laboratorio di Singamaneni e primo autore dell'articolo. «Questo progetto cambierebbe l’approccio passivo esistente in cui le informazioni vengono semplicemente lette in uno attivo in cui le capacità dei circuiti neurali come base per l’elaborazione delle informazioni sono pienamente utilizzate».
Il finanziamento per questa ricerca è stato fornito dall'Air Force Office of Scientific Research (#FA95501910394) e dall'Office of Naval Research (#N000142112343).
Riferimenti:
(2) Barani Raman
(3) Augmenting insect olfaction performance through nano-neuromodulation
(4) Prashant Gupta
Descrizione foto: Srikanth Singamaneni e Barani Raman hanno guidato un team che ha sfruttato la potenza di nanostrutture appositamente realizzate in grado di assorbire la luce e creare calore e agire come contenitori per immagazzinare e rilasciare sostanze chimiche su richiesta. Hanno utilizzato questi materiali nanostrutturati per potenziare la risposta neurale nel cervello delle locuste a odori specifici e per migliorarne l'identificazione. - Credit: Singamaneni lab, Washington University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Locusts’ sense of smell boosted with custom-made nanoparticles