Szwajcarski scyzoryk wojskowy dla neuronauki

Po lewej: zamki z polimerów są punktem wyjścia do wykonania wielofunkcyjnej sondy neuronowej. W warsztacie mechanicznym zostaną dodane wzory przewodzących metalowych prętów, przezroczystych tworzyw sztucznych lub pustych przestrzeni, tworząc preformę.

Po prawej: preforma jest ładowana do tej 12-metrowej wieży ciągnienia włókien.

W ciągu ostatnich kilku lat opracowano różne potężne nowe narzędzia do badania mózgu i manipulowania nim. Niektórzy używają elektroniki, a inni światła lub chemikaliów.

W jednym z laboratoriów MIT materiałoznawca Polina Anikeeva znalazła sposób na wyprodukowanie czegoś, co można by nazwać szwajcarskim nożem wojskowym do nauki mózgu. Sondy neuronowe, które buduje, przenoszą światło, jednocześnie gromadząc i przesyłając energię elektryczną, a także mają małe kanały, przez które pompuje się leki.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 2015 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

To postęp w porównaniu z metalowymi drutami lub elektrodami krzemowymi konwencjonalnie używanymi do badania neuronów. Anikeeva wytwarza sondy, łącząc polimery i metale w wielkoformatowe bloki lub preformy, a następnie rozciągając je na elastyczne, ultracienkie włókna.

Polina Anikeeva

Włókna wielofunkcyjne oferują nowe sposoby badania zachowań zwierząt, ponieważ mogą rejestrować dane z neuronów, a także je stymulować. Mogą również powstać nowe rodzaje technologii medycznej. Wyobraź sobie, jak robi to Anikeeva, bioniczne okablowanie, które łączy uszkodzenie rdzenia kręgowego, zbierając sygnały elektryczne z mózgu i przesyłając je do mięśni sparaliżowanej ręki.

Anikeeva wykonała swoją pierwszą wielofunkcyjną sondę podczas studiów w Stanford. To było prymitywne: po prostu owinęła metalowe druty wokół szklanego włókna. Umożliwiło to jednak połączenie standardowych pomiarów elektrod z nową technologią, optogenetyką, w której światło jest kierowane na neurony, aby je aktywować lub wyłączać.

Teraz Anikeeva, profesor inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej, tworzy sondy przy użyciu technologii rysowania włókien opracowanej przez innego badacza z MIT, Yoela Finka. Opiera się na sposobie, w jaki krzemionka jest podgrzewana i wyciągana w celu utworzenia włókna telekomunikacyjnego. Ale działa w niższych temperaturach, w których wiele użytecznych polimerów staje się wystarczająco miękkich, aby się rozciągać.

Włókna polimerowe mają kilka ważnych zalet. Po pierwsze, są elastyczne i naśladują fizyczne właściwości tkanki. To może pozwolić im pracować dłużej niż sztywne metalowe elektrody, na których polegali neuronaukowcy, umożliwiając długoterminowe badania na zwierzętach. Drugą cechą włókien jest to, że mogą łączyć wiele funkcji. Produkowane do tej pory sondy zawierały aż 36 mikrodrutów, falowodów optycznych i pustych kanałów do przenoszenia leków. Nie ma powodu, aby nie włączać czujników do pomiaru temperatury lub ciśnienia. Wewnątrz ciała odpowiednie materiały i struktury mogą nawet zachęcić nerwy do przyczepienia się do włókien, tak jak kość łączy się z implantem biodrowym.

Proces ciągnienia włókien obkurcza duże wzory do postaci mikroskopijnych, zachowując szczegóły. Ale są wyzwania. Drobne przewody i rurki trzeba ręcznie zdjąć, rozłożyć i przylutować, aby połączyć je z komponentami, takimi jak urządzenie nagrywające, które mysz nosi na głowie. To spory koszmar, mówi Andres Canales, doktorant, który ma nadzieję rozwiązać problem.

Czy bioprzewody polimerowe ostatecznie wyleczą paraliż — powiedzmy, przenosząc sygnały nerwowe przez uszkodzony rdzeń kręgowy? Myślę, że będzie to wersja tej technologii, bardziej wyrafinowana, mówi Anikeeva. Przynajmniej będziemy podążać tą drogą.

3. Zbiór resztek preform po rysowaniu. Pręty indowo-cynowe są widoczne w pozostałości po preformie pośrodku.

4. Włókno jest wyciągane z pieca po podgrzaniu do 350 °C. Mikrometr (czerwone światło) monitoruje rozmiar włókna.

5. Każda preforma jest wciągana do jednego kilometra włókna. Jest teraz około 1/100 grubości tak, jak pierwotnie.

6. Włókno moczy się w THF, rozpuszczalniku, w celu usunięcia powłoki ochronnej.

7. Przekrój włókna o szerokości 0,35 milimetra zawierającego cztery elektrody, kanał płynowy i falowód w kształcie pierścienia. Po prawej stronie światło przechodzi przez falowód.

8. Ta mysz ma wszczepione włókno do mózgu. Na jego głowie widoczne są płytka drukowana, port do wprowadzania światła i dwa kolejne do wstrzykiwania narkotyków.

9. Optyczna stymulacja mózgu myszy wytwarza zarejestrowaną tutaj aktywność elektryczną.

ukryć