科學家發明出比頭髮絲還細的纖維探針，可向大腦傳輸信號

2月20日，國際頂級期刊《自然·神經科學》（Nature Neuroscience）雜誌報道了光遺傳學研究領域的一項重大進展：科學家開發出一種不及人類頭髮絲粗細的多功能柔性聚合物纖維探針，能夠將傳統需要三種分離裝置進行多步操作才能實現的過程，簡化為「一步到位」的操作——能夠一次性同時實現光學、電學以及化學組合信號向大腦的傳輸。

該想法最初於兩年前提出，而這是首次在實踐上實現。未來，通過進一步調整並提升該新型探針的生物兼容性，這種新型技術有望更好地研究不同大腦區域的功能性及相互連接性。這種新型聚合物纖維探針是由一組材料科學家、化學家、生物學家等通力合作而開發出來的。

在設計上，研究者盡量使纖維探針能夠模擬大腦組織的柔軟性及柔韌性。相比於傳統的剛性金屬探針，這將極大地有利於將其植入大腦適當位置並長時間保持功能性，從而能夠進行更廣泛的大腦數據收集。

例如，在針對實驗室小鼠的測試中，研究人員能夠通過光纖兩個流體通道之一向小鼠大腦注射攜帶視蛋白（opsins）基因的病毒載體，該蛋白基因能使神經元細胞具備光敏感性。待視蛋白基因生效後，研究者通過光纖中心的光波導向大腦發送一個光脈衝，然後記錄所得到的神經元活動，並使用其上的六個電極精確定位具體的神經反應。以上所有這一切都是通過單根橫截面僅200微米——相當於人類頭髮絲的寬度——的柔性纖維探針實現的。

先前的神經科學研究通常依賴於分離的不同裝置，包括用於實現光遺傳學功能而注射病毒載體的微針陣列、負責光傳播的光纖以及用於記錄的電極陣列，這極大地增加了系統複雜性。此外，還增加了不同裝置之間棘手的對準步驟，而這種對準在實踐上可以說是「憑運氣」。Anikeeva說：「如果有一個全功能（do-it-all）裝置能夠將所有這一切全權代勞，那真是太好了。」

經過多年的努力，該團隊終於成功開發出這種全能（do-it-all）裝置。Anikeeva說：「它（纖維探針）能將載有視蛋白的病毒直接遞送至細胞，然後施加刺激並記錄其反應活性，並且因其足夠小的尺寸以及生物兼容性，還能夠保留很長時間」。

研究者稱：「鑒於每根纖維尺寸都很微小，所以我們有可能使用多根纖維來觀察大腦活動的不同區域。」初步測試中，研究人員同時在兩個不同的大腦區域放置纖維探針（根據不同的實驗改變放置的區域），並測量大腦活動響應從一個區域傳輸到另一個區域需要耗費多長時間。

（a）石墨（graphite）/導電聚乙烯（CPE）複合電極（gCPE）製作過程示意圖。（b）多功能柔性聚合物纖維探針組裝過程：包括石墨/導電聚乙烯（gCPE）複合電極、聚碳酸酯（PC）波導芯層、環烯烴共聚物（COC）鍍層、中空流體通道等。（c）纖維製作過程。圖片來源：Nature Neuroscience (2017)doi:10.1038/nn.4510

這種多功能纖維探針的製作關鍵在於開發一種既能保持柔性又能傳輸電信號的導電線。經過大量的研究，該團隊設計出一種摻雜石墨鱗片的導電聚乙烯（polyethylene）複合材料：首先將聚乙烯製成層狀，撒上石墨鱗片，然後將兩層相對壓合在一起；然後在加入另外一對壓合層，再次壓合；不斷重複上述過程直到獲得最佳導電線。

該團隊成員之一、材料科學與工程學院的研究生本傑明·格雷諾（Benjamin Grena）將這個過程稱為製作「千層酥」（又稱拿破崙酥）。該方法將聚乙烯這種聚合物的導電性提升了4到5倍。Park稱，「反之，這同樣也會使電極的尺寸減小至原來的1/4~1/5。」

這種纖維探針當下就能解決的一個問題是：注入熒光蛋白遺傳物質後，神經元到底需要多長時間才能變成光敏感？這在之前只能通過粗略的近似估計測算，但現在通過這種纖維探針可以更精準的測量。結果表明，該團隊初始實驗中所使用的增敏劑大約在11天後開始產生光敏效果。

該團隊力圖進一步減小纖維探針的寬度，使其更接近於神經組織的性能。Park說：「接下來的工程性挑戰就是使用更柔軟的材料，使其真正匹配鄰近的組織。」當然，世界各地早已有數十個研究團隊在追尋這類新纖維以用於各自的研究中進行測試。