尖端科技:MIT成功验证可传递光电化学组合信号的接口微纤维

必发365登录入口2017年3月6日讯  以往的神经系统科学研究工作通常分别利用针头设备注射光遗传学用的病毒载体,利用光纤进行光传输,再利用电极阵列进行记录,这一做法复杂度非常高,必须及对不同设备进行精确调整的需求。研究人员认为在实践中精确校准多少有点概率的问题,如果能有一个可以承揽所有工作的设备则效果会好很多。

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人类首次利用直径类似于头发的弹性单纤维成功地将光学、电气和化学信号组合传输到大脑中,将两年前首次提出的想法付诸实践。通过些许调整,进一步改善该弹性纤维的生物兼容性,这种新方法为了解大脑不同区域功能和互相关联信息提供了一种快速改进方法。这种新纤维由材料科学家、化学家、生物学家和其他专家联合研发。

该纤维旨在模仿大脑组织的柔软性和灵活性,这样能够让植入物留在适当位置。与使用坚固金属纤维相比,植入物功能的保持时间更长,从而允许研究人员收集更多数据。例如,在用实验室老鼠进行试验时,研究人员能通过纤维中的两条流道向老鼠注射携带基因(名为视蛋白)的病毒载体,使神经元具有感光性。注射后,专家们等待视蛋白见效,然后通过中央的光波导发送光脉冲,利用六个电极精确查找到具体的反应,记录最终的神经活性。所有这一系列活动仅仅通过200微米(相当于人类头发的直径)的灵活单纤维完成。

研究团队经过多年的努力研制出这种新纤维,它能够直接将病毒(含视蛋白)传送到细胞中,然后刺激该病毒反应并记录其活动 ,该纤维很细小且具有生物兼容性,因此使用寿命很长。

由于每个纤维都很细小,因此研究人员我们能够使用多个纤维观察不同的活动区域。在最初的实验过程中,研究人员同时将探针放入两个不同的大脑区域中,将所用的两个大脑区域从一个实验转换到另一个实验中,并测量病毒在其中的反应时间。

这种多功能纤维成功的关键在于导线的开发,它必须能够在维持所需灵活性的同时传输完整的电气信号。在进行大量工作后,该研究团队设计出一种掺杂有石墨薄片的导电聚乙烯复合材料。这种聚乙烯最初会形成多层,喷洒石墨薄片后便进行了压缩,之后再添加一层另一对聚乙烯层,进行再次压缩,不断重复。这种方法将聚合物的导电性增加了四倍或五倍,从而使电极尺寸能够缩小同等倍数。

该纤维迫切需要解决的问题是在注射遗传物质后,神经元需要多久才会变得感光。研究团队称,之间的时间结果仅仅是近似值,而现在能够更加精确地算出时间。最终证明,最初实验中所用的特异性敏化剂起作用的时间约为11天。

该团队正在研究进一步缩小纤维直径,使其特性更接近于神经组织的特性。虽然世界各地很多的研究团队已经要求在其自身的研究中使用新纤维样品进行实验,但是接下来的设计挑战是使用更为柔软的材料与临近的组织真正地匹配。

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