19 december 2010, 2010/47
Optisch koppelpincet imiteert communicatie neuronen
Een internationaal team van onderzoekers heeft met een optische
koppelpincet aangetoond dat draaiende microscopische cilinders
exciteerbaar zijn. Daarmee vertoont dit systeem dynamische
eigenschappen die op dezelfde fysische principes zijn gebaseerd als
bijvoorbeeld de werking van neuronen, die met elkaar communiceren met
actiepotentialen. De onderzoekers hebben tegelijkertijd aangetoond dat
dit opto-mechanische systeem microscopische deeltjes in vloeistof kan
detecteren. De onderzoekers van het Kavli Institute of Nanoscience aan
de TU Delft en het Institut Non Linéaire de Nice, publiceren de
resultaten van dit door FOM gefinancierde onderzoek op de Nature
Physics website op 19 december 2010.
Figuur 1. Optisch koppelpincet
Een kwarts cilinder met een dubbele brekingsindex (lichtblauw) wordt in
het brandpunt van een laserbundel (rood) vastgehouden. Terwijl de
lineaire polarisatie (rechte blauwe pijl) van dezelfde laser draait met
een hoeksnelheid omega, wordt het draaimoment dat op de cilinder wordt
uitgeoefend gemeten. Wanneer deze hoeksnelheid net iets kleiner is dan
een kritische frequentie (waarboven de respons niet meer lineair is),
is de cilinder door verstoringen exciteerbaar.
Veel niet-lineaire systemen in de natuur zijn exciteerbaar, waarbij de
neuronale cel het meest bekende voorbeeld is. Het woord 'exciteerbaar'
kenmerkt de respons van dergelijke systemen op externe verstoringen:
wanneer een verstoring optreedt die boven een kritische waarde komt,
zal de respons van een exciteerbaar systeem altijd de vorm van een puls
met constante amplitude aannemen. Neuronen communiceren bijvoorbeeld
met elkaar door middel van voltagepulsen van constante amplitude (ook
bekend als actiepotentialen) die een gevolg zijn van hun exciteerbare
karakter.
Een optisch koppelpincet is een uniek instrument dat zowel de kracht
als het impulsmoment dat op microscopische objecten - en dus ook
hieraan gekoppelde biologische moleculen zoals DNA - wordt uitgeoefend,
kan meten. Door een dergelijk instrument op te bouwen en te gebruiken
om de draaiing van kwarts nanocilinders te bestuderen (zie figuur),
konden de onderzoekers aantonen dat dergelijke draaiende micro-objecten
een exciteerbaar karakter hebben. Daarmee vertoont dit opto-mechanische
systeem dynamische eigenschappen die op dezelfde fysische principes
zijn gebaseerd als bijvoorbeeld de werking van neuronen.
In de optische koppelpincet die een wisselwerking ondergaat met een
kwarts microcilinder, is het gedetecteerde impulsmoment op de cilinder,
de directe analoog van de actiepotentiaal in neuronen. Verstoringen met
voldoende amplitude, in de vorm van kortstondige veranderingen in de
lokale viscositeit van de vloeistof waarin de cilinder zich bevindt,
wekken een respons op in de vorm van een puls in het gedetecteerde
impulsmoment. De analogie met de neuronale dynamica komt overeen in de
theorie: de vergelijkingen die dit opto-mechanische systeem nauwkeurig
beschrijven zijn identiek aan de vergelijkingen die benut worden in
simulaties van eenvoudige neuronale netwerken.
De onderzoekers hebben tevens aangetoond dat dit microscopisch
exciteerbare systeem gebruikt kan worden voor de detectie van
microscopische deeltjes. Mocht een dergelijk deeltje zich in de buurt
van de draaiende microcilinder bevinden, dan werkt dit als een
verstoring die een eenvoudig detecteerbare respons in het impulsmoment
oplevert. Dit biedt een manier om cellen of overige microscopische
deeltjes in vloeistof te detecteren, te tellen of te scheiden.
Dit onderzoek is gefinancierd door FOM en vindt plaats in het
FOM-programma 'DNA in Action - Physics of the Genome'.