En schweizisk hærkniv til neurovidenskab

Til venstre: låse af polymerer er udgangspunktet for fremstilling af en multifunktionel neural probe. I et maskinværksted vil der blive tilføjet mønstre af ledende metalstænger, gennemsigtig plast eller hule rum, hvilket skaber en præform.

Til højre: Præformen er indlæst i dette 12 fod høje fibertrækstårn.

Forskellige kraftfulde nye værktøjer til at udforske og manipulere hjernen er blevet udviklet i løbet af de sidste par år. Nogle bruger elektronik, mens andre bruger lys eller kemikalier.

På et MIT-laboratorium har materialeforsker Polina Anikeeva fundet på en måde at fremstille, hvad der svarer til en hjernevidenskabelig schweizisk hærkniv. De neurale sonder, hun bygger, bærer lys, mens de samler og transmitterer elektricitet, og de har også små kanaler, hvorigennem de kan pumpe stoffer.

Denne historie var en del af vores maj 2015-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Det er et fremskridt i forhold til metaltråde eller siliciumelektroder, der konventionelt bruges til at studere neuroner. Anikeeva fremstiller proberne ved at samle polymerer og metaller til store blokke eller præforme og derefter strække dem til fleksible, ultratynde fibre.

Polina Anikeeva

Multifunktionelle fibre tilbyder nye måder at studere dyreadfærd på, da de både kan optage fra neuroner og stimulere dem. Nye typer medicinsk teknologi kan også resultere. Forestil dig, som Anikeeva gør, bioniske ledninger, der bygger bro over en rygmarvsskade, der samler elektriske signaler fra hjernen og sender dem til musklerne i en lam hånd.

Anikeeva lavede sin første multifunktionelle sonde, mens hun studerede på Stanford. Det var råt: hun viklede simpelthen metaltråde rundt om en glasfilament. Men det gjorde det muligt at kombinere standard elektrodemålinger med en ny teknologi, optogenetics, hvor lys affyres mod neuroner for at aktivere dem eller lukke dem ned.

Nu laver Anikeeva, en professor i materialevidenskab og teknik, sonder ved hjælp af en fibertegningsteknologi udviklet af en anden MIT-forsker, Yoel Fink. Det er baseret på den måde, silica opvarmes og trækkes for at danne telekommunikationsfiber. Men det virker ved lavere temperaturer, hvor mange nyttige polymerer bliver bløde nok til at strække sig.

Polymerfibre har et par vigtige fordele. Den ene er, at de er fleksible og efterligner vævets fysiske egenskaber. Det kunne give dem mulighed for at arbejde længere end de stive metalelektroder, neuroforskere har stolet på, hvilket muliggør langtidsundersøgelser på dyr. Den anden egenskab ved fibrene er, at de kan kombinere mange funktioner. Prober lavet indtil nu har inkorporeret så mange som 36 mikrotråde, optiske bølgeledere og hule kanaler til at bære medicin. Der er ingen grund til ikke at inkorporere sensorer til også at måle temperatur eller tryk. Inde i kroppen kan de rigtige materialer og strukturer endda lokke nerver til at binde sig til fibrene, sådan som knoglerne smelter sammen med et hofteimplantat.

Fibertrækningsprocessen krymper store mønstre til mikroskopiske og bevarer detaljerne. Men der er udfordringer. De små ledninger og rør skal strippes, spredes og loddes i hånden for at forbinde dem til komponenter såsom en optageenhed, som en mus bærer på hovedet. Det er noget af et mareridt, siger Andres Canales, en kandidatstuderende, som håber at løse problemet.

Vil polymere biotråde være det, der i sidste ende helbreder lammelser - for eksempel ved at sende nervesignaler over en skadet rygmarv? Jeg tror, ​​det bliver en version af denne teknologi, en mere sofistikeret version, siger Anikeeva. Vi vil i det mindste følge denne vej.

3. En samling af præform-rester efter tegning. Indium-tin-stænger er synlige i det, der er tilbage af præformen i midten.

4. Fiber trækkes ud af ovnen efter at være blevet opvarmet til 350 °C. Et mikrometer (rødt lys) overvåger fiberens størrelse.

5. Hver præform trækkes ind i så meget som en kilometer fiber. Den er nu omkring 1/100 af så tyk, som den var oprindeligt.

6. En fiber gennemblødes i THF, et opløsningsmiddel, for at fjerne en beskyttende beklædning.

7. Et tværsnit af en 0,35 millimeter bred fiber indeholdende fire elektroder, en væskekanal og en ringformet bølgeleder. Til højre skinner lys gennem bølgelederen.

8. Denne mus har en fiber implanteret i sin hjerne. På hovedet er der et printkort, en port til at introducere lys og to mere til at injicere medicin.

9. Optisk stimulering af musens hjerne producerer den elektriske aktivitet, der registreres her.

skjule