How carbon nanotube nanosensor can image neurochemistry

     The general function of nervous system is supported by neurons providing unique capabilities for intra- and inter-cellular signaling. Long-distant neuronal signaling could be achieved by conduction: neuron cells send electrical signals, action potentials, to communicate with their own terminals via the axons. Communication between neurons is achieved at synapse by neurotransmission with the movement of modulatory neurotransmitters, which remain difficult to measure. Tools to study chemical neurotransmission (detection of neurotransmitters) are each sorely needed for insights in neurological malfunction.  Methods to achieve both simultaneously stand to be transformative.

  To study neurotransmitter release, microdialysis, fast scan cyclic voltammetry, and false fluorescent neurotransmitters technology are available to non-selectively identify the presence of neurotransmitters, with spatial and temporal resolutions that are orders of magnitude larger and slower than brain neurotransmission (micron spatial scale, millisecond temporal scale). Fluorescence (FL) imaging techniques are uniquely poised as an ideal solution to transduce and measure the chemical neuronal signals, because they are relatively noninvasive and provide high spatial resolution and multiplexed imaging modalities for detecting various signals simultaneously. To this end, there is great opportunity to exploit the second near-infrared emitting nanomaterials to design synthetic multiplexed nanosensors for in vivo spatiotemporal imaging of chemical neuronal signals.

    신경계의 신호 전달은 다양한 방법으로 세포 간 신호에 관련된 뉴런에 의해 일어난다. 원거리 신경 신호는 뉴런의 축삭을 따라 전기적인 전도(conductance)에 의해 전달된다. (뉴런 세포는 축삭을 통해 자신의 말단과 통신하기 위해 전기 신호, 활동 전위를 보낸다.) 뉴런들 사이의 근거리 통신은 신경전달물질의 확산과 함께 세포 사이에 존재하는 미세 구조인 시냅스에서 이루어지는데, 이는 현재 기술로도 측정하기가 어렵다. 앞으로 이러한 화학적 신경전달(신경전달물질 검출)을 연구하는 이미징 기법은 치매, 파킨슨병 등의 신경 질병들의 진단하고 그 원인을 파악하기 위해  매우 필요하다.  

     신경전달물질에 의한 화학적 신경전달을 연구하기 위해, 미세투석, 고속 스캔 순환전압계 및 거짓 형광 신경전달물질 기술이 개발되어 왔지만, 뇌 신경전달물질보다 훨씬 크고 느린 시공간적 해상도로 신경전달물질의 존재를 확인할 수 있는 한계를 가지고 있다. 형광(Fluorescence) 영상 기술은 상대적으로 비침습적으로 다양한 신호를 동시에 감지하기 위한 높은 공간 분해능과 다중 영상 (multiplexing) 기법을 제공하기 때문에 여러 화학적 신경 신호를 전달하고 측정하는 이미징 기법으로서의 대두되고 있다.

     본 연구실에서는 높은 조직투과능력을 가지는 제2근적외선 (1000-1700 nm) 형광 나노물질을 이용하여, 도파민, 세로토닌 등의 중요한 신경물질들에 반응하는 광학 나노센서를 개발하고 있다. 또한, 이를 이용하여 뇌내에서 일어나는 신경전달물질의 확산/재흡수를 높은 시공간 분해능으로 이미징할 수 있는 차세대 이미징 기반 기술을 연구 중에 있다.