比頭發(fā)絲還細(xì)的纖維探針，科學(xué)家打算用來研究大腦
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2月20日，國際頂級期刊《自然·神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）雜志報道了光遺傳學(xué)研究領(lǐng)域的一項重大進(jìn)展：科學(xué)家開發(fā)出一種不及人類頭發(fā)絲粗細(xì)的多功能柔性聚合物纖維探針，能夠?qū)鹘y(tǒng)需要三種分離裝置進(jìn)行多步操作才能實現(xiàn)的過程，簡化為“一步到位”的操作——能夠一次性同時實現(xiàn)光學(xué)、電學(xué)以及化學(xué)組合信號向大腦的傳輸。
該想法最初于兩年前提出，而這是首次在實踐上實現(xiàn)。未來，通過進(jìn)一步調(diào)整并提升該新型探針的生物兼容性，這種新型技術(shù)有望更好地研究不同大腦區(qū)域的功能性及相互連接性。這種新型聚合物纖維探針是由一組材料科學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家等通力合作而開發(fā)出來的。
在設(shè)計上，研究者盡量使纖維探針能夠模擬大腦組織的柔軟性及柔韌性。相比于傳統(tǒng)的剛性金屬探針，這將極大地有利于將其植入大腦適當(dāng)位置并長時間保持功能性，從而能夠進(jìn)行更廣泛的大腦數(shù)據(jù)收集。
例如，在針對實驗室小鼠的測試中，研究人員能夠通過光纖兩個流體通道之一向小鼠大腦注射攜帶視蛋白（opsins）基因的病毒載體，該蛋白基因能使神經(jīng)元細(xì)胞具備光敏感性。待視蛋白基因生效后，研究者通過光纖中心的光波導(dǎo)向大腦發(fā)送一個光脈沖，然后記錄所得到的神經(jīng)元活動，并使用其上的六個電極精確定位具體的神經(jīng)反應(yīng)。以上所有這一切都是通過單根橫截面僅200微米——相當(dāng)于人類頭發(fā)絲的寬度——的柔性纖維探針實現(xiàn)的。
先前的神經(jīng)科學(xué)研究通常依賴于分離的不同裝置，包括用于實現(xiàn)光遺傳學(xué)功能而注射病毒載體的微針陣列、負(fù)責(zé)光傳播的光纖以及用于記錄的電極陣列，這極大地增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。此外，還增加了不同裝置之間棘手的對準(zhǔn)步驟，而這種對準(zhǔn)在實踐上可以說是“憑運氣”。Anikeeva說：“如果有一個全功能（do-it-all）裝置能夠?qū)⑺羞@一切全權(quán)代勞，那真是太好了?！?/span>
經(jīng)過多年的努力，該團(tuán)隊終于成功開發(fā)出這種全能（do-it-all）裝置。Anikeeva說：“它（纖維探針）能將載有視蛋白的病毒直接遞送至細(xì)胞，然后施加刺激并記錄其反應(yīng)活性，并且因其足夠小的尺寸以及生物兼容性，還能夠保留很長時間”。
研究者稱：“鑒于每根纖維尺寸都很微小，所以我們有可能使用多根纖維來觀察大腦活動的不同區(qū)域。”初步測試中，研究人員同時在兩個不同的大腦區(qū)域放置纖維探針（根據(jù)不同的實驗改變放置的區(qū)域），并測量大腦活動響應(yīng)從一個區(qū)域傳輸?shù)搅硪粋€區(qū)域需要耗費多長時間。
（a）石墨（graphite）/導(dǎo)電聚乙烯（CPE）復(fù)合電極（gCPE）制作過程示意圖。（b）多功能柔性聚合物纖維探針組裝過程：包括石墨/導(dǎo)電聚乙烯（gCPE）復(fù)合電極、聚碳酸酯（PC）波導(dǎo)芯層、環(huán)烯烴共聚物（COC）鍍層、中空流體通道等。（c）纖維制作過程。（圖片來源：Nature Neuroscience (2017) doi:10.1038/nn.4510）
這種多功能纖維探針的制作關(guān)鍵在于開發(fā)一種既能保持柔性又能傳輸電信號的導(dǎo)電線。經(jīng)過大量的研究，該團(tuán)隊設(shè)計出一種摻雜石墨鱗片的導(dǎo)電聚乙烯（polyethylene）復(fù)合材料：首先將聚乙烯制成層狀，撒上石墨鱗片，然后將兩層相對壓合在一起；然后在加入另外一對壓合層，再次壓合；不斷重復(fù)上述過程直到獲得最佳導(dǎo)電線。
該團(tuán)隊成員之一、材料科學(xué)與工程學(xué)院的研究生本杰明·格雷諾（Benjamin Grena）將這個過程稱為制作“千層酥”（又稱拿破侖酥）。該方法將聚乙烯這種聚合物的導(dǎo)電性提升了4到5倍。Park稱，“反之，這同樣也會使電極的尺寸減小至原來的1/4~1/5?！?/span>
這種纖維探針當(dāng)下就能解決的一個問題是：注入熒光蛋白遺傳物質(zhì)后，神經(jīng)元到底需要多長時間才能變成光敏感？這在之前只能通過粗略的近似估計測算，但現(xiàn)在通過這種纖維探針可以更精準(zhǔn)的測量。結(jié)果表明，該團(tuán)隊初始實驗中所使用的增敏劑大約在11天后開始產(chǎn)生光敏效果。
該團(tuán)隊力圖進(jìn)一步減小纖維探針的寬度，使其更接近于神經(jīng)組織的性能。Park說：“接下來的工程性挑戰(zhàn)就是使用更柔軟的材料，使其真正匹配鄰近的組織。”當(dāng)然，世界各地早已有數(shù)十個研究團(tuán)隊在追尋這類新纖維以用于各自的研究中進(jìn)行測試。
編輯：李小李
參考：http://news.mit.edu/2017/multifunctional-tiny-fibers-brain-0221
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