近日，基础科学研究所（韩国IBS）纳米颗粒研究中心的研究人员与中国浙江大学的合作者合作，报告了一种高度敏感和特异的纳米传感器，可以监测癫痫发作小鼠体内钾离子的动态变化，表明它们在大脑中的强度和起源。
示意图，显示了K +纳米传感器的设计。
癫痫是一种中枢神经系统疾病，伴随着异常的大脑活动会引起癫痫发作或不寻常的行为、感觉，有时甚至失去意识。如果癫痫发作持续30分钟或更长时间，它们可能导致永久性脑损伤甚至死亡。众所周知，需要技术来评估与癫痫相关的异常电活动的程度。
钾离子是主要的研究对象之一。这种离子影响神经元内外膜电位的差异，影响神经元的内在兴奋性和突触传递。尽管在提高K+传感器选择性方面做出了重大努力，但它们仍然远远不能令人满意，因为目前可用的光学报告器无法检测钾离子的微小变化，特别是在自由移动的动物中。此外，它们很容易受到钠离子的干扰，因为当脉冲通过神经细胞膜时，钠离子的流入很快就会伴随着钾离子的流出。在这项发表在《自然纳米技术》上的研究中，研究人员报告了一种高度敏感和选择性的K+纳米传感器，它可以监测自由移动小鼠大脑不同部位K+的变化。
这种新型纳米传感器是由多孔二氧化硅纳米颗粒制成的，该纳米颗粒被超薄的钾可渗透膜屏蔽，该膜与脑细胞中的钾通道非常相似。孔的大小仅允许K +扩散进出，达到低至1.3微摩尔的检测极限。这使得细胞外K+的亚毫摩尔变化和这一离子在大脑中的空间分布的特殊读出成为可能。
这项研究成功地证明，纳米传感器上的K +渗透膜过滤器可有效滤出其他阳离子并仅捕获K +离子。这种纳米传感器的构建策略不仅将有助于神经科学研究的科学发现和突破，而且还将有助于开发其他选择性离子传感器。
为了进一步检查纳米传感器是否能够测量自由移动小鼠大脑的多个子区域中的K +，研究人员将纳米传感器注入了小鼠大脑的三个不同位置：海马、杏仁核和皮层。在海马体进行电刺激后，同时记录注入位置的纳米传感器的脑电图和光学响应。有趣的是，在局灶性癫痫发作中，外部K+浓度随时间从海马到杏仁核和皮层增加，而在全身性癫痫发作的三个脑区几乎同时增加。这些结果与广为接受的观点一致，即海马体中的电刺激首先涉及邻近的大脑区域，然后传播到整个大脑。
IBS纳米颗粒研究中心主任（首尔国立大学特聘教授）和该研究的主要作者Hyeon Taeghwan指出，“进一步开发这些纳米传感器可以促进诊断和治疗，减少手术需要。理想情况下，这些纳米传感器还可以携带抗癫痫药物，释放到癫痫发作的大脑正确部位。”