人類首次利用直徑類似于頭發(fā)的彈性單纖維成功地將光學(xué)、電氣和化學(xué)信號組合傳輸?shù)酱竽X中，將兩年前首次提出的想法付諸實(shí)踐。通過些許調(diào)整，進(jìn)一步改善該彈性纖維的生物兼容性，這種新方法為了解大腦不同區(qū)域功能和互相關(guān)聯(lián)信息提供了一種快速改進(jìn)方法。這種新纖維由材料科學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家和其他專家聯(lián)合研發(fā)。
該纖維旨在模仿大腦組織的柔軟性和靈活性，這樣能夠讓植入物留在適當(dāng)位置。與使用堅(jiān)固金屬纖維相比，植入物功能的保持時(shí)間更長，從而允許研究人員收集更多數(shù)據(jù)。例如，在用實(shí)驗(yàn)室老鼠進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，研究人員能通過纖維中的兩條流道向老鼠注射攜帶基因（名為視蛋白）的病毒載體，使神經(jīng)元具有感光性。注射后，專家們等待視蛋白見效，然后通過中央的光波導(dǎo)發(fā)送光脈沖，利用六個(gè)電極精確查找到具體的反應(yīng)，記錄最終的神經(jīng)活性。所有這一系列活動(dòng)僅僅通過200微米（相當(dāng)于人類頭發(fā)的直徑）的靈活單纖維完成。
以往的神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)研究工作通常分別利用針頭設(shè)備注射光遺傳學(xué)用的病毒載體，利用光纖進(jìn)行光傳輸，再利用電極陣列進(jìn)行記錄，這一做法復(fù)雜度非常高，必須及對不同設(shè)備進(jìn)行精確調(diào)整的需求。研究人員認(rèn)為在實(shí)踐中精確校準(zhǔn)多少有點(diǎn)概率的問題，如果能有一個(gè)可以承攬所有工作的設(shè)備則效果會(huì)好很多。
研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的努力研制出這種新纖維，它能夠直接將病毒（含視蛋白）傳送到細(xì)胞中，然后刺激該病毒反應(yīng)并記錄其活動(dòng) ，該纖維很細(xì)小且具有生物兼容性，因此使用壽命很長。
由于每個(gè)纖維都很細(xì)小，因此研究人員我們能夠使用多個(gè)纖維觀察不同的活動(dòng)區(qū)域。在最初的實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員同時(shí)將探針放入兩個(gè)不同的大腦區(qū)域中，將所用的兩個(gè)大腦區(qū)域從一個(gè)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，并測量病毒在其中的反應(yīng)時(shí)間。
這種多功能纖維成功的關(guān)鍵在于導(dǎo)線的開發(fā)，它必須能夠在維持所需靈活性的同時(shí)傳輸完整的電氣信號。在進(jìn)行大量工作后，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種摻雜有石墨薄片的導(dǎo)電聚乙烯復(fù)合材料。這種聚乙烯最初會(huì)形成多層，噴灑石墨薄片后便進(jìn)行了壓縮，之后再添加一層另一對聚乙烯層，進(jìn)行再次壓縮，不斷重復(fù)。這種方法將聚合物的導(dǎo)電性增加了四倍或五倍，從而使電極尺寸能夠縮小同等倍數(shù)。
該纖維迫切需要解決的問題是在注射遺傳物質(zhì)后，神經(jīng)元需要多久才會(huì)變得感光。研究團(tuán)隊(duì)稱，之間的時(shí)間結(jié)果僅僅是近似值，而現(xiàn)在能夠更加精確地算出時(shí)間。最終證明，最初實(shí)驗(yàn)中所用的特異性敏化劑起作用的時(shí)間約為11天。
該團(tuán)隊(duì)正在研究進(jìn)一步縮小纖維直徑，使其特性更接近于神經(jīng)組織的特性。雖然世界各地很多的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)要求在其自身的研究中使用新纖維樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是接下來的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是使用更為柔軟的材料與臨近的組織真正地匹配。
原文鏈接：http://news.mit.edu/2017/multifunctional-tiny-fibers-brain-0221
來源：（中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院 程大樹）
