Новые волокна были разработаны в результате сотрудничества ученых-материаловедов, химиков, биологов и других специалистов. Результаты представлены в журнале Nature Neuroscience, в статье Сонджуна Пак, аспиранта Массачусетского технологического института; Полина Аникеева, профессор кафедры материаловедения и инженерии класса 1942 года; Йоэль Финк, профессор кафедры материаловедения и инженерии, электротехники и информатики; Глория Чой, Самуэль А. Профессор по развитию карьеры Голдблита на факультете мозговых и когнитивных наук и еще 10 человек в Массачусетском технологическом институте и других местах.
Волокна созданы для имитации мягкости и гибкости тканей головного мозга.
Это может позволить оставить имплантаты на месте и сохранить их функции в течение гораздо более длительного периода времени, чем это возможно в настоящее время с типичными жесткими металлическими волокнами, что позволит собирать гораздо более обширные данные. Например, в тестах на лабораторных мышах исследователи смогли ввести вирусные векторы, несущие гены, называемые опсинами, которые повышают чувствительность нейронов к свету, через один из двух жидкостных каналов в волокне. Они ждали, пока опсины подействуют, затем отправили импульс света через оптический волновод в центре и записали результирующую нейронную активность, используя шесть электродов для точного определения конкретных реакций. Все это было сделано с помощью одного гибкого волокна шириной всего 200 микрометров, что сопоставимо с шириной человеческого волоса.
Предыдущие исследования в области нейробиологии обычно полагались на отдельные устройства: иглы для введения вирусных векторов для оптогенетики, оптические волокна для доставки света и массивы электродов для записи, что значительно усложняло работу и требовало сложной юстировки между различными устройствами. Правильное выравнивание на практике было «в некоторой степени вероятным», – говорит Аникеева. "Мы сказали, было бы неплохо, если бы у нас было устройство, которое могло бы просто делать все это."
После многих лет усилий это то, что команда успешно продемонстрировала. «Он может доставить вирус [содержащий опсины] прямо в клетку, а затем стимулировать реакцию и регистрировать активность – а [волокно] достаточно маленькое и биосовместимое, чтобы его можно было хранить в течение длительного времени», – говорит Аникеева. говорит.
Поскольку каждое волокно очень маленькое, «потенциально мы могли бы использовать многие из них для наблюдения за различными областями активности», – говорит она. В своих первоначальных тестах исследователи поместили зонды в две разные области мозга одновременно, варьируя, какие области они использовали от одного эксперимента к другому, и измеряли, сколько времени требуется, чтобы ответы перемещались между ними.
Ключевым ингредиентом, который сделал возможным это многофункциональное волокно, была разработка проводящих «проводов», которые сохраняли необходимую гибкость, а также хорошо передавали электрические сигналы.
После долгой работы команда смогла создать композит из проводящего полиэтилена, легированного хлопьями графита. Изначально полиэтилен формировали слоями, присыпали хлопьями графита, а затем прессовали; затем была добавлена и сжата еще одна пара слоев, затем еще одна и т. д. Член команды, Бенджамин Грена, недавний выпускник факультета материаловедения и инженерии, назвал это «mille feuille» (буквально «тысяча листьев», французское название наполеоновского теста). По словам Парк, этот метод увеличил проводимость полимера в четыре или пять раз. "Это позволило нам уменьшить размер электродов на такую же величину."
Один непосредственный вопрос, который можно решить с помощью таких волокон, заключается в том, сколько времени требуется, чтобы нейроны стали светочувствительными после инъекции генетического материала.
Раньше такие определения могли быть сделаны только на основе грубых приближений, но теперь их можно было определить более четко, говорит команда. Оказалось, что специфический сенсибилизирующий агент, использованный в их первоначальных тестах, оказал воздействие примерно через 11 дней.
Команда стремится еще больше уменьшить ширину волокон, чтобы сделать их свойства еще ближе к свойствам нервной ткани. «Следующая инженерная задача – использовать еще более мягкий материал, чтобы он действительно соответствовал прилегающей ткани», – говорит Парк. Однако уже десятки исследовательских групп по всему миру запрашивают образцы новых волокон для тестирования в их собственных исследованиях.