神经元是通过沿轴突发送电化学信号而彼此通信的脑细胞。当神经元即将释放信号时 - 以电荷的形式 - 它允许离子通过离子通道穿过其膜。该离子转移在细胞内部和外部之间产生电势差，并且该差异被称为膜电位。

EPFL工程学院(STI)的基础生物光子学(LBP)实验室的一个研究小组已经提出了一种方法来监测膜电位的变化，并通过研究膜周围水分子的行为来观察离子通量。神经元。研究人员在体外小鼠神经元上成功测试了他们的方法，他们刚刚在Nature Communications上发表了他们的发现。

不再有电极或荧光团

更好地了解神经元的电活动可以洞察我们大脑中发生的许多过程。例如，科学家可以看到神经元是活跃的还是休息的，或者它是否对药物治疗有反应。到目前为止，监测神经元的唯一方法是将荧光团注射到被研究的大脑部分或附着电极 - 但是荧光团可能是有毒的，电极可能会损伤神经元。

最近，LBP研究人员通过观察水分子和神经膜之间的相互作用，开发出一种跟踪神经元电活动的方法。“神经元被水分子包围，水分子会在电荷存在的情况下改变方向，”LBP主任西尔维·罗克说。“当膜电位发生变化时，水分子将重新定向 - 我们可以观察到这一点。”

在他们的研究中，研究人员通过使神经元快速流入钾离子来改变神经元膜电位。这导致神经元表面的离子通道 - 用于调节膜电位 - 打开并让离子通过。然后研究人员关闭了离子流，神经元释放出它们拾取的离子。

为了监测这一活动，研究人员通过用两个相同频率的激光束照射细胞来探测水合神经元脂质膜。这些光束由飞秒激光脉冲组成 - 利用2018年诺贝尔物理学奖授予的技术 - 使得膜界面上的水分子产生具有不同频率的光子，称为二次谐波光。

“我们看到了我们研究的基本和应用含义。它不仅可以帮助我们理解大脑用于发送信息的机制，而且还可以吸引对体外产品测试感兴趣的制药公司，”Roke补充道。“我们现在已经证明，我们可以一次分析一个神经元或任何数量的神经元。”