الجسيمات النانوية تعزز حاسة الشم لدى الجراد – عالم الفيزياء

باستخدام جزيئات نانوية مصممة خصيصًا، تمكن فريق من الباحثين الأمريكيين من تعزيز حاسة الشم لدى الجراد بشكل مصطنع. بقيادة سريكانث سينجامانيني و باراني رامان وفي جامعة واشنطن في سانت لويس، يمكن أن يؤدي نهج الباحثين إلى نوع جديد من أجهزة الاستشعار الكيميائية البيولوجية.

لقد طورت العديد من الحيوانات المختلفة حاسة الشم التي تفوق حاسة الشم لدينا بشكل كبير. وحتى اليوم، فإن أحدث تصميمات أجهزة الاستشعار الكيميائية لم تواكب بعد حساسية أنظمة الشم البيولوجية، فضلاً عن قدرتها على التمييز بين المواد المختلفة بمهارة.

ومؤخرًا، حاول الباحثون تسخير هذه القدرات في أجهزة الاستشعار الكيميائية البيولوجية. في البداية، خطط فريق سينجامانيني للقيام بذلك مع الجراد، الذي يحمل أجهزته الشمية في قرون الاستشعار الخاصة به.

علم الأحياء يقوم بالعمل الشاق

يوضح رامان: "لقد تركنا علم الأحياء يقوم بالمهمة الأصعب المتمثلة في تحويل المعلومات حول المواد الكيميائية البخارية إلى إشارة عصبية كهربائية". "يتم اكتشاف هذه الإشارات في هوائيات الحشرات وتنتقل إلى الدماغ. يمكننا وضع أقطاب كهربائية في الدماغ، وقياس الاستجابة العصبية للجراد للروائح، واستخدامها كبصمات أصابع للتمييز بين المواد الكيميائية.

لكن هذا النهج سرعان ما واجه صعوبات. ومن دون الإضرار بالحشرات، وجد فريق سينجامانيني أنها كانت محدودة للغاية سواء من حيث عدد الأقطاب الكهربائية التي يمكن استخدامها، أو في المناطق التي يمكن وضعها فيها. وفي نهاية المطاف، كان هذا يعني أن الإشارات العصبية التي اكتشفوها كانت ضعيفة للغاية بحيث لا يمكن للنظام أن يعمل كجهاز استشعار كيميائي موثوق.

وللتغلب على هذا التحدي، اكتشف الباحثون كيف يمكن تعزيز الإشارات العصبية للجراد بمساعدة الجسيمات النانوية الحرارية الضوئية، والتي تتسم بالكفاءة للغاية في تحويل الضوء إلى حرارة. يقول رامان: "تؤثر الحرارة على الانتشار، تخيل إضافة الحليب البارد إلى القهوة الساخنة". "الفكرة هي استخدام الحرارة الناتجة عن الهياكل النانوية لتسخين النشاط العصبي محليًا وتعزيزه."

في هذه الحالة، قام الفريق بفحص كيفية استخدام الحرارة المطبقة محليًا للتحكم في إطلاق الناقلات العصبية. هذه هي الجزيئات المسؤولة عن نقل الإشارات الكهربائية بين الخلايا العصبية في الدماغ.

ذوبان الشمع

ولتحقيق ذلك، بدأوا بتغليف جسيمات البوليدوبامين النانوية الحرارية الضوئية في طبقة من السيليكا المسامية. ثم قاموا بخلط التركيبة بصبغة تحتوي على 1-تيتراديكانول. وهذا الأخير عبارة عن مادة صلبة شمعية في درجة حرارة الغرفة، ولكنها تذوب عند 38 درجة مئوية فقط. وأخيرًا، قاموا بتحميل البنى النانوية بـ "شحنة" ناقل عصبي وحقنوها في أدمغة الجراد.

ولاختبار نهجهم، وضع الفريق مصفوفات عشوائية من الأقطاب الكهربائية على رؤوس الجراد، وقاموا بمراقبة إشاراتهم العصبية عند تعريضهم لروائح مختلفة. وعندما اكتشفوا إشارات عصبية، أطلق الفريق بعد ذلك شعاع ليزر قريب من الأشعة تحت الحمراء في المكان الذي ظهرت فيه الإشارات.

امتصت الجسيمات النانوية الحرارية الضوئية ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة، مما أدى إلى تسخين 1-تيتراديكانول المحيط إلى ما فوق نقطة انصهاره، مما أدى إلى إطلاق شحنة الناقل العصبي للهيكل إلى محيطه المباشر.

تعزيز حاسة الشم

مع الوفرة المؤقتة للناقلات العصبية، تم تضخيم الإشارات العصبية للجراد مؤقتًا بعامل 10. أدى هذا إلى تحسين حاسة الشم لدى الحشرات وعزز أيضًا النشاط العصبي للجراد إلى مستويات يمكن قياسها بشكل أكثر دقة بواسطة القطب الكهربائي الخاص بالفريق. صفائف. وكان هذا هو الحال حتى عندما لم يتم وضع الجسيمات النانوية في المواضع المثالية.

طبلة الأذن الجراد هي محلل تردد صغير

يوضح رامان: "تقدم دراستنا استراتيجية عامة لتعزيز الإشارات العصبية بشكل عكسي في موقع الدماغ حيث نضع الأقطاب الكهربائية". عندما لم تعد هناك حاجة لتضخيم الإشارة، تم ببساطة تفكيك جزيئات الناقلات العصبية الزائدة بواسطة الإنزيمات الطبيعية. وعلى المدى الطويل، سوف تتحلل الهياكل النانوية بيولوجيًا، مما يترك الجراد دون أن يصاب بأذى.

الباحثون واثقون من أن نهجهم يمكن أن يكون خطوة واعدة نحو جيل جديد من أجهزة الاستشعار الكيميائية البيولوجية.

يوضح رامان: "سيغير هذا النهج السلبي الحالي - حيث تتم قراءة المعلومات ببساطة - إلى نهج نشط، حيث يتم استخدام قدرات الدوائر العصبية كأساس لمعالجة المعلومات بشكل كامل". وإذا تم تحقيق ذلك، فمن شأنه أن يعزز حساسية أجهزة الاستشعار الكيميائية، ويحسن قدرتها على التمييز بين المواد الكيميائية المختلفة.

تم وصف البحث في طبيعة التكنولوجيا النانوية.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/nanoparticles-enhance-locusts-sense-of-smell/