پای کوانتوم به سلول‌های بدن باز می‌شود
دانشمندان در دهه‌های گذشته برای پایش فعالیت الکتریکی سلول‌های زنده به الکترودها و صبغه‌ها وابسته بودند. اکنون، مهندسان «دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو» (UCSD) دریافتند که مواد کوانتومی با ضخامت تنها یک اتم می‌توانند این فرآیند را تنها با بهره‌گیری از نور انجام دهند.
به نقل از فیز، نتایج این تیم تحقیقاتی نشان می‌دهد که نیمه‌رساناهای فوق‌نازک، که الکترون‌ها را در دو بعد محصور می‌سازند، می‌توانند برای حس‌گری فعالیت الکتریکی سلول‌های زنده با دقت و وضوح بالا مورد استفاده قرار گیرند.
🔗 بیشتر بخوانید: تکنولوژی هارپ چیست؟ هرآنچه باید بدانید
پژوهشگران مدام در جستجوی روش‌های بهینه‌تر برای ردیابی پالس‌های الکتریکی در تحریک‌پذیرترین سلول‌های بدن — نظیر نورون‌ها، فیبرهای عضلانی قلب و سلول‌های لوزالمعده — بوده‌اند. این سیگنال‌های ریز، همۀ فرآیندها را از تفکر تا حرکت و متابولیسم هماهنگ می‌کنند، اما ثبت آن‌ها در لحظه و در مقیاس وسیع همچنان چالش‌برانگیز است.
الکتروفیزیولوژی سنتی که بر ریز‌الکترودهای تهاجمی استوار است، دقت بالا دارد اما در مقیاس‌پذیری با محدودیت مواجه می‌شود. کاشت الکترود در نواحی وسیع بافت می‌تواند آسیب جدی وارد آورد.
🔗 بیشتر بخوانید: چرا باید ربات‌ها همانند انسان‌ها سخن بزنند و چه منفعت‌ای در مغشوش کردن مرز بین انسان و ربات وجود دارد؟
هرچند راهکارهای نوری همچون تصویربرداری کلسیم قادرة بر نظارت بر جمعیت‌های گسترده سلولی هستند، اما تنها دیدی غیرمستقیم از فعالیت الکتریکی ارائه می‌دهند. آن‌ها به جای ثبت تغییرات ولتاژ واقعی که ارتباطات سلولی را هدایت می‌کنند، پاسخ‌های ثانویه را ردیابی می‌کنند که می‌تواند منجر به اختلافات محسوس شود.
مهندسان دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو روشی نوین را معرفی کرده‌اند که می‌تواند این شکاف را پر نماید. روش آن‌ها یک رویکرد پرسرعت و همه‌نوری برای ثبت تغییرات ولتاژ با بهره‌گیری از نیمه‌رساناهای تک‌لایه است. کلید ماجرا در چگونگی تعامل الکترون‌های این مواد با نور نهفته است: وقتی در معرض میدان الکتریکی قرار می‌گیرند، میان دو حالت اکسیتون و تریون نوسان می‌یابند.
🔗 بیشتر بخوانید: اولین قلب تیتانیومی جهان با پیروزی در بدن انسان کاشته شد_آینده
گروه تحقیق دریافت که تبدیل اکسیتون به تریون در نیمه‌رساناهای تک‌لایه می‌تواند برای شناسایی سیگنال‌های الکتریکی سلول‌های عضله قلب به‌کار رود. این کار بدون نیاز به الکترودهای متصل یا رنگ‌های حساس به ولتاژ انجام می‌شود که می‌توانند عملکرد سلولی را مختل کنند. به عبارت دیگر، ویژگی‌های کوانتومیِ خودِ ماده به عنوان حسگر به کار می‌روند.
«ارطغرل کوبوکچو» (Ertugrul Cubukcu)، پژوهشگر ارشد پروژه، بیان کرد: ما معتقدیم حساسیت ولتاژ اکسیتون‌ها در نیمه‌رساناهای تک‌لایه می‌تواند امکان بازدید مدارات مغز را فراهم آورد.
کوبوکچو و همکاران، ویژگی‌های کوانتومی سولفید مولیبدن تک‌لایه را بررسی کردند. دریافتند که این نیمه‌رسانا علاوه بر سازگاری زیستی، مزیت منحصر‌به‌فردی دارد: در طول فرآیند تشکیل، به طور طبیعی خلیه‌های گوگرد با تراکم بالا ایجاد می‌کند که انباشت تریون را تسهیل می‌کند. این نقص درونی باعث می‌شود ماده به تغییرات میدان‌های الکتریکی مجاور — از جمله میدان‌های تولیدشده توسط سلول‌های زنده — و تبدیل خودبه‌خود اکسیتون به تریون واکنش بسیار حساسی نشان دهد.
پژوهشگران تأکید کردند که با ردیابی تغییرات نورتابی مواد، فعالیت الکتریکی سلول‌های عضله قلب را می‌توان در لحظه و با سرعتی نقشه‌برداری کرد که با هیچ فناوری تصویربرداری دیگری تا به امروز قابل مقایسه نیست.
این فناوری کاربردهای متنوعی دارد؛ از جمله ترسیم اختلالات شبکه در نواحی وسیع بافت تحریک‌پذیر، از سطح تا لایه‌های عمیق‌تر. می‌تواند اطلاعاتی درباره مکانیسم‌های ایجاد اختلال‌های عصبی و قلبی ارائه دهد و تصویری شفاف‌تر از نحوه بروز اختلال در مدارهای الکتریکی بدن توسط بیماری‌ها ترسیم نماید. بدین ترتیب، امکان اصلاح استراتژی‌های درمانی نظیر تحریک عمیق مغز برای پارکینسون یا پایش ضربان قلب برای آریتمی فراهم می‌شود.
علاوه بر مزایای مذکور، این پیشرفت می‌تواند راه را برای کشف مواد کوانتومی نوینی باز کند که راهکارهای غیرتهاجمی و پرسرعت برای بازدید فعالیت الکتریکی در موجودات زنده عرضه خواهند کرد.
این پژوهش در مجله «Nature Photonics» منتشر شده است.