Riusciremo a sentire la luce? Scoperta sorprendente che a infrarossi in grado di attivare le cellule del cuore e orecchie


"Stiamo andando a parlare con il cervello con impulsi infrarossi ottici invece di impulsi elettrici", che oggi vengono utilizzati in impianti cocleari per fornire alle persone sorde con udito limitato, dice Richard Rabbitt, professore di bioingegneria e autore senior dello di cuore studi sulle cellule e-ear-cell interno pubblicato questo mese in The Journal of Physiology.

Gli studi - finanziati dal National Institutes of Health - sollevano anche la possibilità di sviluppare pacemaker che utilizzano segnali ottici, anziché segnali elettrici per stimolare le cellule del cuore. Ma Rabbitt dice che a causa pacemaker elettronici funzionano bene, "non vedo un mercato per un pacemaker ottica in questo momento."




L'importanza scientifica degli studi è la scoperta che i segnali ottici - brevi impulsi di una lunghezza d'onda invisibile di luce laser a infrarossi fornito tramite un sottile fibra ottica di vetro - possono attivare le cellule del cuore e le cellule dell'orecchio interno legati all'equilibrio e l'udito.

Inoltre, la ricerca ha mostrato infrarossi attiva le cellule cardiache, chiamato cardiomiociti, innescando il movimento degli ioni calcio dentro e fuori dei mitocondri, organelli o componenti all'interno delle cellule che convertono zucchero in energia utilizzabile. Lo stesso processo sembra verificarsi quando la luce infrarossa stimola le cellule dell'orecchio interno.

La luce infrarossa può essere sentito come calore, aumentando la possibilità delle cellule del cuore e le orecchie sono stati attivati ​​dal calore piuttosto che la radiazione infrarossa in sé. Ma Rabbitt e colleghi hanno fatto "eleganti esperimenti" per visualizzare le cellule infatti sono state attivate dalla radiazione infrarossa, dice un commento sulla rivista da Ian Curthoys dell'Università di Sydney, in Australia.

Curthoys scrive che la ricerca fornisce "insight straordinariamente brillante" in eventi all'interno delle cellule dell'orecchio interno e "ha un grande potenziale per il futuro l'applicazione clinica."

Mettendo in luce a infrarossi in celle dell'orecchio interno e cellule del cuore

Il basso consumo impulsi di luce infrarossa dello studio sono stati generati da un diodo - "la stessa cosa che è in un puntatore laser, solo una diversa lunghezza d'onda", dice Rabbitt.

Gli scienziati esposti alle cellule di luce infrarossa in laboratorio. Le cellule del cuore nello studio erano cellule del muscolo cardiaco di ratto appena nati chiamate cardiomiociti, che rendono il cuore pompa. Le cellule dell'orecchio interno sono cellule ciliate, e provenivano da l'organo dell'orecchio interno che rileva il movimento della testa. Le cellule ciliate provenivano da ostriche toadfish, che sono ben-stabilire modelli per il confronto con le orecchie interiori dell'uomo e il senso di equilibrio.

Cellule ciliate dell'orecchio interno "convertire le vibrazioni meccaniche dal suono, gravità o movimento nel segnale che va al cervello" via le cellule nervose adiacenti, dice Rabbitt.

Utilizzando la radiazione infrarossa, "stavamo stimolando le cellule ciliate, e scaricammo neurotrasmettitore sui neuroni che ha inviato segnali al cervello", dice Rabbitt.

Egli ritiene che le cellule ciliate dell'orecchio interno sono attivati ​​dalla radiazione infrarossa, perché "sono pieni di mitocondri, che sono un obiettivo primario di questa lunghezza d'onda."

La radiazione infrarossa influenza il flusso di ioni calcio dentro e fuori dei mitocondri - qualcosa dimostrato dallo studio guidata in cellule del cuore di ratto neonatale.

Questo è importante perché per le cellule nervose e muscolari "eccitabili", "il calcio è come il grilletto per fare questi contratti cellule o rilasciare neurotrasmettitore", dice Rabbitt.

Lo studio delle cellule cuore ha trovato che un impulso della durata di un semplice infrarossi uno-5000a di un secondo mitocondri effettuati rapidamente aspirare ioni calcio all'interno di una cella, poi lentamente rilasciarli nella cella - un ciclo che rende il contratto cella.

"Il calcio fa che normalmente", dice Rabbitt. "Ma è normalmente controllato dalla cella, non da noi. Quindi la radiazione infrarossa ci offre uno strumento per controllare la cella. Nel caso delle [dell'orecchio interno] neuroni, si sta controllando segnali che vanno al cervello. Nel caso del cuore, che si sta stimolazione contrazione. "

Nuove possibilità per Optical contro elettrici impianti cocleari

Rabbitt ritiene che la ricerca - tra cui uno studio correlato della coclea scorso anno - potrebbe portare a migliori impianti cocleari che userebbero ottica anziché segnali elettrici.

Impianti cocleari esistenti convertono il suono in segnali elettrici, che tipicamente vengono trasmessi otto elettrodi nella coclea, parte dell'orecchio interno dove vibrazioni sonore vengono convertiti in segnali nervosi al cervello. Otto elettrodi in grado di fornire solo otto frequenze del suono, dice Rabbitt.

"Un adulto sano può sentire più di 3.000 diverse frequenze. Con la stimolazione ottica, c'è la possibilità di ascoltare centinaia o migliaia di frequenze invece di otto. Forse un giorno un impianto cocleare ottica permetterà alle persone non udenti di godere ancora una volta la musica e sentire tutte le sfumature in suono che una persona udente dovrebbe godere. "

A differenza di corrente elettrica, che si estende attraverso il tessuto e non può essere focalizzato in un punto, luce infrarossa può essere focalizzata, così numerosi lunghezze d'onda (corrispondente a numerose frequenze del suono) potranno rivolgersi a celle diverse nell'orecchio interno.

Le cellule nervose che inviano segnali sonori dalle orecchie al cervello può sparare più di 300 volte al secondo, così idealmente, un impianto cocleare usando la luce infrarossa sarebbe in grado di eseguire così. Negli esperimenti Utah, i ricercatori sono stati in grado di applicare impulsi laser di cellule ciliate per rendere le cellule nervose adiacenti fuoco fino a 100 volte al secondo. Per un impianto cocleare, le cellule nervose sarebbero attivati ​​entro la luce a infrarossi al posto delle cellule ciliate.

Rabbitt ammonito può essere cinque a 10 anni prima dello sviluppo di impianti cocleari che corrono otticamente. Per essere pratico, hanno bisogno di una alimentazione più piccola e la sorgente luminosa, e devono essere più efficiente di energia per funzionare su piccole batterie come un apparecchio acustico.

Protesi ottici per movimento, l'equilibrio e Vision Disorders

La stimolazione cerebrale profonda elettrica ora è utilizzato per trattare disturbi del movimento come il morbo di Parkinson e di "tremore essenziale, che provoca il movimento ritmico degli arti così diventa difficile camminare, funzione e mangiare", dice Rabbitt.

Si sta indagando se la stimolazione cerebrale profonda ottica, piuttosto che elettrica potrebbe aumentare la durata del trattamento è efficace.

Rabbitt vede anche un potenziale per gli impianti ottici per il trattamento di disturbi dell'equilibrio.

"Quando si invecchia, ci Shuffle e camminiamo con attenzione, non perché i nostri muscoli non funzionano, ma perché abbiamo problemi con equilibrio", dice. "Questa tecnologia ha il potenziale per ripristinare l'equilibrio ripristinando i segnali che l'orecchio sano invia al cervello su come il corpo si muove nello spazio."

Stimolazione ottica potrebbe anche fornire una visione artificiale in persone con retinite pigmentosa o altre perdite di cellule retiniche - le cellule dell'occhio che rilevano la luce e il colore - ma che hanno ancora il prossimo livello di cellule, conosciute come gangli, Rabbitt dice.

"Si potrebbe indossare gli occhiali con una telecamera [montati sui telai] e non ci sarebbe l'elettronica che convertono i segnali dalla fotocamera in impulsi di radiazione infrarossa che sarebbero modellate sulla retina malata che normalmente non rispondono alla luce, ma risponderesti a la radiazione infrarossa pulsata "per creare immagini, dice.

Audizione e la visione impianti che utilizzano ottica anziché segnali elettrici non devono penetrare nel cervello o di altri tessuti nervoso perché la luce infrarossa può penetrare "un bel po 'di tessuto", così i dispositivi che emettono la luce "hanno un potenziale per l'eccellente biocompatibilità," dice Rabbitt . "Sarete in grado di impiantare dispositivi ottici e lasciarli lì per tutta la vita."

Lo studio delle cellule del cuore è stato condotto da Rabbitt, con l'Università di Utah bioingegneria dottorando Gregory Dittami come primo autore. Co-autori sono stati Suhrud Rajguru, un ex studente di dottorato Utah ora alla Northwestern University di Chicago; Utah dottorando Richard Lasher; e Robert Hitchcock, un assistente professore di bioingegneria presso l'University of Utah.

Coautori di Rabbitt sullo studio interno-ear inclusi primo autore Rajguru; Dittami; Claus-Peter Richter e Agnella Matic della Northwestern University; neuroscienziato Gay Holstein del Mount Sinai School of Medicine di New York; e neuroscienziato Stephen Highstein del Marine Biological Laboratory di Woods Hole, nel Massachusetts.

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