p As máquinas estão ficando confortáveis ​​com nossas células. Sensores embutidos registram como e quando os neurônios disparam; eletrodos estimulam as células do coração a bater ou as células do cérebro a disparar; dispositivos semelhantes a neurônios podem até estimular um crescimento mais rápido após a implantação no cérebro. p Breve, as chamadas interfaces cérebro-máquina poderiam fazer ainda mais:monitorar e tratar sintomas de distúrbios neurológicos como a doença de Parkinson, fornecer um plano para projetar inteligência artificial, ou até mesmo permitir a comunicação cérebro a cérebro.

p Para alcançar o alcançável e o quixotesco, os dispositivos precisam de uma maneira de mergulhar literalmente mais fundo em nossas células para realizar o reconhecimento. Quanto mais sabemos sobre como os neurônios funcionam, quanto mais podemos emular, replicar, e tratá-los com nossas máquinas.

p Agora, em um artigo publicado em Nature Nanotechnology , Charles M. Lieber, o professor da Universidade Joshua e Beth Friedman, apresenta uma atualização para seus dispositivos originais em nanoescala para gravação intracelular, a primeira nanotecnologia desenvolvida para registrar vibração elétrica dentro de uma célula viva. Nove anos depois, Lieber e sua equipe desenvolveram uma maneira de fazer milhares desses dispositivos ao mesmo tempo, criando um exército em nanoescala que poderia acelerar os esforços para descobrir o que está acontecendo dentro de nossas células.

p Antes do trabalho de Lieber, dispositivos semelhantes enfrentaram um enigma Goldilocks:muito grande, e eles gravariam sinais internos, mas matariam a célula. Muito pequeno, e eles não conseguiram cruzar a membrana da célula - as gravações acabaram sendo barulhentas e imprecisas.

p Os novos nanofios de Lieber eram perfeitos. Projetado e relatado em 2010, os originais tinham uma ponta em forma de "V" em nanoescala com um transistor na parte inferior do "V". Este projeto pode perfurar as membranas celulares e enviar dados precisos de volta para a equipe sem destruir a célula.

p Mas havia um problema. Os nanofios de silício são muito mais longos do que largos, tornando-os instáveis ​​e difíceis de disputar. "Eles são tão flexíveis quanto macarrão cozido, "diz Anqi Zhang, um estudante de graduação no Lieber Lab e um dos autores do último trabalho da equipe.

p Para criar os dispositivos originais, os membros do laboratório tiveram que capturar um macarrão de nanofio de cada vez, encontre cada braço do "V, "e, em seguida, tecer os fios no dispositivo de gravação. Alguns dispositivos levaram de 2 a 3 semanas para serem feitos." Foi um trabalho muito tedioso, "diz Zhang.

p Mas os nanofios não são feitos um de cada vez; eles são feitos em massa, exatamente como as coisas com que se parecem:espaguete cozido. Usando o método de vapor-líquido-sólido catalisado por nanocluster, que Lieber usou para criar os primeiros nanofios, a equipe constrói um ambiente onde os fios podem germinar por conta própria. Eles podem pré-determinar o diâmetro e o comprimento de cada fio, mas não como os fios são posicionados depois de prontos. Mesmo que eles cresçam milhares ou até milhões de nanofios de uma vez, o resultado final é uma bagunça de espaguete invisível.

p Para desembaraçar a bagunça, Lieber e sua equipe projetaram uma armadilha para seu macarrão cozido solto:eles fazem trincheiras em forma de U em um wafer de silício e, em seguida, penteiam os nanofios na superfície. Este processo de "pentear" desembaraça a bagunça e deposita cada nanofio em um orifício em forma de U bem organizado. Então, cada curva "U" recebe um pequeno transistor, semelhante à parte inferior de seus dispositivos em forma de "V".

p Com o método de "pentear", Lieber e sua equipe completaram centenas de dispositivos nanofios no mesmo tempo que costumavam fazer apenas alguns. "Porque eles estão muito bem alinhados, eles são muito fáceis de controlar, "Zhang diz.

p Até aqui, Zhang e seus colegas usaram dispositivos em nanoescala em forma de "U" para registrar sinais intracelulares em células neurais e cardíacas em culturas. Revestido com uma substância que imita a sensação de uma membrana celular, os nanofios podem cruzar essa barreira com esforço mínimo ou dano à célula. E, eles podem registrar vibração intracelular com o mesmo nível de precisão de seu maior concorrente:eletrodos patch clamp.

p Os eletrodos patch clamp são cerca de 100 vezes maiores do que os nanofios. Como o nome sugere, a ferramenta se fixa na membrana de uma célula, causando danos irreversíveis. O eletrodo patch clamp pode capturar a gravação estável dos sinais elétricos dentro das células. Mas, Zhang diz, "após a gravação, a célula morre. "

p Os dispositivos em nanoescala em forma de "U" da equipe de Lieber são mais amigáveis ​​para seus hospedeiros celulares. "Eles podem ser inseridos em várias células em paralelo sem causar danos, "Zhang diz.

p Agora mesmo, os dispositivos são tão suaves que a membrana celular os empurra para fora após cerca de 10 minutos de gravação. Para estender esta janela com seu próximo design, a equipe pode adicionar um pouco de cola bioquímica na ponta ou tornar as bordas ásperas para que o fio fique preso na membrana.

p Os dispositivos em nanoescala têm outra vantagem sobre o patch clamp:eles podem gravar mais células em paralelo. Com as braçadeiras, os pesquisadores podem coletar apenas algumas gravações de células por vez. Para este estudo, Zhang registrou até dez células de uma vez. "Potencialmente, isso pode ser muito maior, "diz ela. Quanto mais células eles podem gravar de uma vez, mais eles podem ver como as redes de células interagem umas com as outras como o fazem nas criaturas vivas.

p No processo de escalar seu design de nanofios, a equipe também confirmou uma teoria de longa data, chamada de hipótese da curvatura. Depois que Lieber inventou os primeiros nanofios, pesquisadores especularam que a largura da ponta de um nanofio (a parte inferior do "V" ou "U") pode afetar a resposta de uma célula ao fio. Para este estudo, a equipe experimentou várias curvas "U" e tamanhos de transistores. Os resultados confirmaram a hipótese original:as células são como uma ponta estreita e um pequeno transistor.

p "A beleza da ciência para muitos, nós incluídos, está tendo esses desafios para conduzir hipóteses e trabalhos futuros, "Diz Lieber. Com o desafio de escalabilidade por trás deles, a equipe espera capturar gravações ainda mais precisas, talvez dentro de estruturas subcelulares, e células de registro em criaturas vivas.

p Mas para Lieber, um desafio cérebro-máquina é mais atraente do que todos os outros:"trazer ciborgues à realidade".