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【神经科学】进入大脑的新窗口:微小柔性纤维可同时传输光电化学信号
令狐小冲 2017-03-10
导语

神经科学以前的研究工作大都依赖于分立的设备:用针头来注射用于光遗传学的病毒载体,用光纤来进行光传输,以及用电极阵列来记录,这使得复杂度大大增加,从而需要在不同设备之间进行棘手的对准工作。现在可以通过一根微小的纤维全部搞定!

编者按:本文来自实验帮官网实验帮是专注在光电产业链上的聚合平台:产品聚合;资讯聚合;服务聚合。

第一次,一根单根的还没有人的头发粗的多功能柔性纤维,成功地将光、电和化学的信号组合传进和传出大脑,将一个两年前提出的想法付诸了实践。再进行一些进一步提高其生物相容性的调整的话,这种新的方法可以提供一种显著改善的方式来了解不同脑区的功能及其互联。

这种新纤维是通过材料科学家、化学家、生物学家和其他专家的合作而开发出来的。该结果在《自然*神经科学》杂志的一篇文章中进行了报道,该文章的作者包括麻省理工学院研究生Seongjun Park;材料科学与工程系教授Polina Anikeeva;材料科学与工程,电气工程以及计算机科学系教授Yoel Fink;脑与认知科学系Samuel A. Goldblith职业发展教授Gloria Choi,以及麻省理工学院的其他10个人。


研究生Seongjun Park拿着一根新柔性纤维的样品,直径比人头发还小,但却成功将光、电和化学的信号组合传进和传出了大脑。


该纤维被设计成模仿大脑组织的柔软性和柔韧性。这就使其有可能在大脑中留下植入物,并使它们在比目前通常使用的硬金属纤维所能做到的更长的时间内保持其功能,从而实现更广泛的数据采集。例如,在小鼠试验中,研究人员能够将病毒载体通过该纤维中的两个流体通道进行注入,这些病毒载体带有被称为视蛋白的遗传物质,其能够使神经元对对光敏感。他们等视蛋白起效之后,通过位于中心的光波导发送一个光脉冲,并利用六个电极确定具体的反应来记录所产生的神经元活动。所有的这些都是通过一根直径只有200微米的柔性纤维来完成的——这相当于人类一根头发的宽度。

神经科学以前的研究工作大都依赖于分立的设备:用针头来注射用于光遗传学的病毒载体,用光纤来进行光传输,以及用电极阵列来记录,这使得复杂度大大增加,从而需要在不同设备之间进行棘手的对准工作。要在实践中正确实现这个对准“有点像碰运气”,Anikeeva说。“我们想,如果我们能用一个设备都完成所有这些工作,那该多好啊。”

经过多年的努力,团队终于成功实现了这个目标。“它可以直接将病毒(含有视蛋白)输送给细胞,然后刺激其响应并记录其活动——而且其(纤维)尺寸足够小,并具有良好的生物相容性,因此可以把它留在里面很长时间,”Anikeeva说。

因为每根纤维都很小,“所以有可能,我们可以用很多纤维来观察不同的活动区域,”她说。在最初的测试中,研究者们把探针放在了两个不同的脑区,并在每个实验中改变它们所在的位置,以及测量它们之间的响应需要多长时间。

实现这种多功能纤维的关键因素是开发出能够在保持柔软性的同时还能携带电信号的导电“电线”。经过大量的工作,该小组成功地设计出一种石墨掺杂的复合导电聚乙烯。聚乙烯先被制成层状,撒上石墨片后进行压缩,然后再添加和压缩另两层这样的材料,如此反复。该小组的一名成员,材料科学与工程系最近毕业的一名研究生Benjamin Grena,称这个过程为做“千层酥”。Park说,这种方法将聚合物的导电率提高了四到五倍。“这相应的使我们可以将电极的大小减少4到5倍”。

另一个可以通过该纤维解决的直接问题是,在注入遗传物质后究竟需要多长时间来使神经元变得光致敏化。在以前这样的结论只能进行粗略的近似,而现在可以更加清晰地确定,该团队说。在他们最初的测试中所使用的特殊增敏剂在11天左右才产生影响。

该小组计划进一步减少纤维的直径,使他们的性能更接近自然的神经组织。Park说:“下一个工程挑战是使用更软的材料,以真正匹配与其相邻的组织”。尽管如此,世界各地的几十个研究小组已经向我们索取新纤维的样品,以便在他们自己的研究中进行测试。

文章链接:https://www.sciencedaily.com/releases/2017/02/170222145750.htm

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  • 柔性纤维
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文章评论(1)
柏岩[北京航空航天大学]

有了该技术,大脑的秘密还有多远??

556天前 | 回复
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作者 令狐小冲

博士生

清华大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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