比头发丝还细的纤维探针，科学家打算用来研究大脑
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2月20日，国际顶级期刊《自然·神经科学》（nature neuroscience）杂志报道了光遗传学研究领域的一项重大进展：科学家开发出一种不及人类头发丝粗细的多功能柔性聚合物纤维探针，能够将传统需要三种分离装置进行多步操作才能实现的过程，简化为“一步到位”的操作——能够一次性同时实现光学、电学以及化学组合信号向大脑的传输。
该想法最初于两年前提出，而这是首次在实践上实现。未来，通过进一步调整并提升该新型探针的生物兼容性，这种新型技术有望更好地研究不同大脑区域的功能性及相互连接性。这种新型聚合物纤维探针是由一组材料科学家、化学家、生物学家等通力合作而开发出来的。
在设计上，研究者尽量使纤维探针能够模拟大脑组织的柔软性及柔韧性。相比于传统的刚性金属探针，这将极大地有利于将其植入大脑适当位置并长时间保持功能性，从而能够进行更广泛的大脑数据收集。
例如，在针对实验室小鼠的测试中，研究人员能够通过光纤两个流体通道之一向小鼠大脑注射携带视蛋白（opsins）基因的病毒载体，该蛋白基因能使神经元细胞具备光敏感性。待视蛋白基因生效后，研究者通过光纤中心的光波导向大脑发送一个光脉冲，然后记录所得到的神经元活动，并使用其上的六个电极精确定位具体的神经反应。以上所有这一切都是通过单根横截面仅200微米——相当于人类头发丝的宽度——的柔性纤维探针实现的。
先前的神经科学研究通常依赖于分离的不同装置，包括用于实现光遗传学功能而注射病毒载体的微针阵列、负责光传播的光纤以及用于记录的电极阵列，这极大地增加了系统复杂性。此外，还增加了不同装置之间棘手的对准步骤，而这种对准在实践上可以说是“凭运气”。anikeeva说：“如果有一个全功能（do-it-all）装置能够将所有这一切全权代劳，那真是太好了。”
经过多年的努力，该团队终于成功开发出这种全能（do-it-all）装置。anikeeva说：“它（纤维探针）能将载有视蛋白的病毒直接递送至细胞，然后施加刺激并记录其反应活性，并且因其足够小的尺寸以及生物兼容性，还能够保留很长时间”。
研究者称：“鉴于每根纤维尺寸都很微小，所以我们有可能使用多根纤维来观察大脑活动的不同区域。”初步测试中，研究人员同时在两个不同的大脑区域放置纤维探针（根据不同的实验改变放置的区域），并测量大脑活动响应从一个区域传输到另一个区域需要耗费多长时间。
（a）石墨（graphite）/导电聚乙烯（cpe）复合电极（gcpe）制作过程示意图。（b）多功能柔性聚合物纤维探针组装过程：包括石墨/导电聚乙烯（gcpe）复合电极、聚碳酸酯（pc）波导芯层、环烯烃共聚物（coc）镀层、中空流体通道等。（c）纤维制作过程。（图片来源：nature neuroscience (2017) doi:10.1038/nn.4510）
这种多功能纤维探针的制作关键在于开发一种既能保持柔性又能传输电信号的导电线。经过大量的研究，该团队设计出一种掺杂石墨鳞片的导电聚乙烯（polyethylene）复合材料：首先将聚乙烯制成层状，撒上石墨鳞片，然后将两层相对压合在一起；然后在加入另外一对压合层，再次压合；不断重复上述过程直到获得最佳导电线。
该团队成员之一、材料科学与工程学院的研究生本杰明·格雷诺（benjamin grena）将这个过程称为制作“千层酥”（又称拿破仑酥）。该方法将聚乙烯这种聚合物的导电性提升了4到5倍。park称，“反之，这同样也会使电极的尺寸减小至原来的1/4~1/5。”
这种纤维探针当下就能解决的一个问题是：注入荧光蛋白遗传物质后，神经元到底需要多长时间才能变成光敏感？这在之前只能通过粗略的近似估计测算，但现在通过这种纤维探针可以更精准的测量。结果表明，该团队初始实验中所使用的增敏剂大约在11天后开始产生光敏效果。
该团队力图进一步减小纤维探针的宽度，使其更接近于神经组织的性能。park说：“接下来的工程性挑战就是使用更柔软的材料，使其真正匹配邻近的组织。”当然，世界各地早已有数十个研究团队在追寻这类新纤维以用于各自的研究中进行测试。
编辑：李小李
参考：http://news.mit.edu/2017/multifunctional-tiny-fibers-brain-0221
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