Νέες νευρολογικές συσκευές αποκαλύπτουν τον ρόλο της ντοπαμίνης στον ύπνο

Η κατανόηση των πολύπλοκων μηχανισμών που διέπουν τους κύκλους ύπνου-ξύπνιου αποτελεί μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στη νευρολογία και την επιστήμη του ύπνου. Ο ύπνος είναι ζωτικής σημασίας για τη διατήρηση της εγκεφαλικής ομοιόστασης και της γνωστικής λειτουργίας, και εξαρτάται από την ακριβή συνεργασία της ηλεκτρικής δραστηριότητας των νευρώνων και των νευροχημικών σημάτων σε συγκεκριμένες περιοχές του εγκεφάλου. Ένας από τους κύριους κόμβους σε αυτό το δίκτυο είναι ο πυρήνας του ακομπένσου, ο οποίος παίζει κρίσιμο ρόλο στη ρύθμιση των μεταβάσεων μεταξύ των σταδίων ύπνου μέσω της ντοπαμίνης.

Προκλήσεις στις υπάρχουσες τεχνολογίες

Ωστόσο, οι τρέχουσες τεχνολογίες νευρωνικής ανίχνευσης αντιμετωπίζουν σοβαρούς περιορισμούς. Η ανάγκη για ταυτόχρονη ανίχνευση ηλεκτροφυσιολογικών και νευροχημικών σημάτων σε πραγματικό χρόνο παραμένει μια πρόκληση. Παρά τις προσπάθειες που έχουν γίνει για την ενσωμάτωση ηλεκτροχημικών λειτουργιών σε μικροηλεκτρόδια, οι υπάρχουσες μέθοδοι υποφέρουν από δύο βασικά προβλήματα: την εξάρτηση από εξωτερικούς αναφοράς που προκαλούν σημαντική βλάβη στους ιστούς και την κακή μακροχρόνια σταθερότητα, καθώς και τις παραδοσιακές μεθόδους επικάλυψης που οδηγούν σε διασταυρούμενη ομιλία μεταξύ των λειτουργικών σημείων, μειώνοντας την ευαισθησία και την πιστότητα των σημάτων.

Μια καινοτόμος προσέγγιση στην ανίχνευση

Μια σημαντική πρόοδος στην τεχνολογία ανίχνευσης νευρώνων έχει επιτευχθεί μέσω της συνεργασίας της ομάδας του καθηγητή Cai Xinxia από το Εθνικό Κλειδί Εργαστήριο Τεχνολογίας Αισθητήρων στο Ινστιτούτο Έρευνας Διαστημικών Πληροφοριών της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών και της ομάδας του καθηγητή Yu Yanqin από το Πανεπιστήμιο Zhejiang. Ανέπτυξαν με επιτυχία μια καινοτόμο τριπλή ηλεκτρονική μικροηλεκτρονική διάταξη που επιτρέπει την ταυτόχρονη παρακολούθηση νευροχημικών και ηλεκτροφυσιολογικών σημάτων σε ελεύθερα κινούμενα ζώα.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε μια καινοτόμο στρατηγική στοχευμένης τροποποίησης, δημιουργώντας εξειδικευμένες λειτουργικές περιοχές μέσα στο σύστημα. Ο ηλεκτρονικός αισθητήρας ντοπαμίνης ενισχύθηκε με ένα σύνθετο υλικό PtNPs/PEDOT:PSS/Nafion για να επιτευχθεί ανώτερη επιλεκτικότητα και ευαισθησία. Για την ηλεκτροφυσιολογική καταγραφή, οι ηλεκτρόδιοι τροποποιήθηκαν με PtNPs/PEDOT:PSS για να μειωθεί σημαντικά η αντίσταση και να βελτιωθεί η ποιότητα του σήματος. Παράλληλα, ο ηλεκτρόδιος αναφοράς επικάλυψε με IrOx για να διασφαλίσει εξαιρετική μακροχρόνια σταθερότητα κατά τη διάρκεια των in vivo εφαρμογών.

Ανακαλύψεις από πειράματα in vivo

Πειράματα σε ελεύθερα κινούμενους ποντικούς κατέγραψαν τη δυναμική απελευθέρωση ντοπαμίνης και τη νευρική δραστηριότητα κατά τη διάρκεια των σταδίων ύπνου-ξύπνιου. Οι επίπεδοι ντοπαμίνης παρουσίασαν κορυφή κατά την εγρήγορση, μειώθηκαν στο χαμηλότερο επίπεδο κατά τη διάρκεια του μη-ταχέος ύπνου (NREM) και αυξήθηκαν σημαντικά κατά τις μεταβάσεις από τον REM ύπνο στην εγρήγορση, υποδεικνύοντας τον ρόλο της ντοπαμίνης στις μεταβάσεις των καταστάσεων ύπνου.

Περαιτέρω ανάλυση αποκάλυψε τρεις διακριτές νευρωνικές πληθυσμούς: τους REM-ανενεργούς νευρώνες (RINs), τους REM-σταθερούς νευρώνες (RSNs) και τους REM-ρυθμικούς νευρώνες (RRNs). Οι RSNs και RRNs παρουσίασαν τις υψηλότερες συχνότητες πυροδότησης κατά την εγρήγορση και τις χαμηλότερες κατά τη διάρκεια του NREM ύπνου. Αξιοσημείωτο είναι ότι η δυναμική πυροδότησής τους συγχρονίστηκε στενά με τις διακυμάνσεις της ντοπαμίνης, παρέχοντας άμεσες αποδείξεις για τη ντοπαμινεργική ρύθμιση στην κανονικότητα του ύπνου-ξύπνιου.

Αυτή η τριπλή ηλεκτρονική μικροηλεκτρονική διάταξη καθορίζει μια καινοτόμο πλατφόρμα διπλής λειτουργίας για συγχρονισμένη παρακολούθηση ηλεκτροφυσιολογικών και νευροχημικών δραστηριοτήτων σε βαθιές περιοχές του εγκεφάλου. Ο σχεδιασμός της πλατφόρμας επιτρέπει τη λειτουργική επέκταση μέσω της προσαρμογής στρατηγικών στοχευμένης τροποποίησης, διευκολύνοντας την ανίχνευση άλλων νευροδιαβιβαστών όπως η γλουταμίνη και η σεροτονίνη. Αυτή η ολοκληρωμένη προσέγγιση στην ανίχνευση ανοίγει νέες προοπτικές για την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο.