比頭發(fā)絲還細(xì)的纖維探針，科學(xué)家打算用來(lái)研究大腦
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2月20日，國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·神經(jīng)科學(xué)》（Nature Neuroscience）雜志報(bào)道了光遺傳學(xué)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展：科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種不及人類(lèi)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(shí)現(xiàn)的過(guò)程，簡(jiǎn)化為“一步到位”的操作——能夠一次性同時(shí)實(shí)現(xiàn)光學(xué)、電學(xué)以及化學(xué)組合信號(hào)向大腦的傳輸。
該想法最初于兩年前提出，而這是首次在實(shí)踐上實(shí)現(xiàn)。未來(lái)，通過(guò)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(kāi)發(fā)出來(lái)的。
在設(shè)計(jì)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(zhǎng)時(shí)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(duì)實(shí)驗(yàn)室小鼠的測(cè)試中，研究人員能夠通過(guò)光纖兩個(gè)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(guò)光纖中心的光波導(dǎo)向大腦發(fā)送一個(gè)光脈沖，然后記錄所得到的神經(jīng)元活動(dòng)，并使用其上的六個(gè)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(guò)單根橫截面僅200微米——相當(dāng)于人類(lèi)頭發(fā)絲的寬度——的柔性纖維探針實(shí)現(xiàn)的。
先前的神經(jīng)科學(xué)研究通常依賴(lài)于分離的不同裝置，包括用于實(shí)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(duì)準(zhǔn)步驟，而這種對(duì)準(zhǔn)在實(shí)踐上可以說(shuō)是“憑運(yùn)氣”。Anikeeva說(shuō)：“如果有一個(gè)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(guò)多年的努力，該團(tuán)隊(duì)終于成功開(kāi)發(fā)出這種全能（do-it-all）裝置。Anikeeva說(shuō)：“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(zhǎng)時(shí)間”。
研究者稱(chēng)：“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(lái)觀察大腦活動(dòng)的不同區(qū)域。”初步測(cè)試中，研究人員同時(shí)在兩個(gè)不同的大腦區(qū)域放置纖維探針（根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)改變放置的區(qū)域），并測(cè)量大腦活動(dòng)響應(yīng)從一個(gè)區(qū)域傳輸?shù)搅硪粋€(gè)區(qū)域需要耗費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間。
（a）石墨（graphite）/導(dǎo)電聚乙烯（CPE）復(fù)合電極（gCPE）制作過(guò)程示意圖。（b）多功能柔性聚合物纖維探針組裝過(guò)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(guò)程。（圖片來(lái)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(kāi)發(fā)一種既能保持柔性又能傳輸電信號(hào)的導(dǎo)電線(xiàn)。經(jīng)過(guò)大量的研究，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(duì)壓合在一起；然后在加入另外一對(duì)壓合層，再次壓合；不斷重復(fù)上述過(guò)程直到獲得最佳導(dǎo)電線(xiàn)。
該團(tuán)隊(duì)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(gè)過(guò)程稱(chēng)為制作“千層酥”（又稱(chēng)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(chēng)，“反之，這同樣也會(huì)使電極的尺寸減小至原來(lái)的1/4~1/5?！?/span>
這種纖維探針當(dāng)下就能解決的一個(gè)問(wèn)題是：注入熒光蛋白遺傳物質(zhì)后，神經(jīng)元到底需要多長(zhǎng)時(shí)間才能變成光敏感？這在之前只能通過(guò)粗略的近似估計(jì)測(cè)算，但現(xiàn)在通過(guò)這種纖維探針可以更精準(zhǔn)的測(cè)量。結(jié)果表明，該團(tuán)隊(duì)初始實(shí)驗(yàn)中所使用的增敏劑大約在11天后開(kāi)始產(chǎn)生光敏效果。
該團(tuán)隊(duì)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(shuō)：“接下來(lái)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(gè)研究團(tuán)隊(duì)在追尋這類(lèi)新纖維以用于各自的研究中進(jìn)行測(cè)試。
編輯：李小李
參考：http://news.mit.edu/2017/multifunctional-tiny-fibers-brain-0221
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