En schweizisk armékniv för neurovetenskap

Till vänster: lås av polymerer är utgångspunkten för att göra en multifunktionell neural sond. I en maskinverkstad kommer mönster av ledande metallstavar, transparent plast eller ihåliga utrymmen att läggas till, vilket skapar en förform.

Höger: Förformen laddas i detta 12 fot höga fiberdragtorn.

Olika kraftfulla nya verktyg för att utforska och manipulera hjärnan har utvecklats under de senaste åren. Vissa använder elektronik, medan andra använder ljus eller kemikalier.

Vid ett MIT-labb har materialforskaren Polina Anikeeva hittat ett sätt att tillverka vad som motsvarar en schweizisk armékniv för hjärnvetenskap. De neurala sonderna hon bygger bär ljus samtidigt som de samlar in och överför elektricitet, och de har också små kanaler genom vilka de kan pumpa droger.

Den här historien var en del av vårt majnummer 2015

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Det är ett framsteg jämfört med metalltrådar eller kiselelektroder som konventionellt används för att studera neuroner. Anikeeva tillverkar sonderna genom att sätta ihop polymerer och metaller till storskaliga block, eller preforms, och sedan sträcka dem till flexibla, ultratunna fibrer.

Polina Anikeeva

Multifunktionella fibrer erbjuder nya sätt att studera djurs beteende, eftersom de kan spela in från neuroner och stimulera dem. Nya typer av medicinsk teknik kan också bli resultatet. Föreställ dig, som Anikeeva gör, bioniska ledningar som överbryggar en ryggmärgsskada, samlar in elektriska signaler från hjärnan och överför dem till musklerna i en förlamad hand.

Anikeeva gjorde sin första multifunktionella sond när hon studerade på Stanford. Det var grovt: hon lindade helt enkelt metalltrådar runt en glasfilament. Men detta gjorde det möjligt att kombinera standardelektrodmätningar med en ny teknik, optogenetik, där ljus skjuts mot neuroner för att aktivera dem eller stänga av dem.

Nu tillverkar Anikeeva, professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap, sonder med hjälp av en fiberdragningsteknik som utvecklats av en annan MIT-forskare, Yoel Fink. Det är baserat på hur kiseldioxid värms upp och dras för att bilda telekommunikationsfiber. Men det fungerar vid lägre temperaturer, vid vilka många användbara polymerer blir tillräckligt mjuka för att sträcka sig.

Polymerfibrer har ett par viktiga fördelar. En är att de är flexibla och efterliknar vävnadens fysiska egenskaper. Det kan tillåta dem att arbeta längre än de styva metallelektroder som neuroforskare har förlitat sig på, vilket tillåter långtidsstudier på djur. Den andra egenskapen hos fibrerna är att de kan kombinera många funktioner. Sonder som gjorts hittills har inkluderat så många som 36 mikrotrådar, optiska vågledare och ihåliga kanaler för att bära medicin. Det finns ingen anledning att inte inkludera sensorer för att mäta temperatur eller tryck också. Inuti kroppen kan rätt material och strukturer till och med locka nerver att fästa vid fibrerna, på samma sätt som ben smälter ihop med ett höftimplantat.

Fiberdragningsprocessen krymper stora mönster till mikroskopiska och bevarar detaljerna. Men det finns utmaningar. De små ledningarna och rören måste tas av, spridas och lödas för hand för att ansluta dem till komponenter som en inspelningsenhet som en mus bär på huvudet. Det är en ganska mardröm, säger Andres Canales, en doktorand, som hoppas kunna lösa problemet.

Kommer polymerbiotrådar att vara det som i slutändan botar förlamning - säg genom att föra nervsignaler över en skadad ryggmärg? Jag tror att det blir en version av den här tekniken, en mer sofistikerad version, säger Anikeeva. Vi kommer åtminstone att följa den här vägen.

3. En samling förformrester efter ritning. Indium-tennstavar är synliga i det som är kvar av förformen i mitten.

4. Fiber dras från ugnen efter att ha värmts upp till 350 °C. En mikrometer (rött ljus) övervakar fiberns storlek.

5. Varje förform dras till så mycket som en kilometer fiber. Den är nu ungefär 1/100 så tjock som den var från början.

6. En fiber blötläggs i THF, ett lösningsmedel, för att ta bort en skyddande beklädnad.

7. Ett tvärsnitt av en 0,35 millimeter bred fiber som innehåller fyra elektroder, en vätskekanal och en ringformad vågledare. Till höger lyser ljus genom vågledaren.

8. Denna mus har en fiber inopererad i sin hjärna. På dess huvud syns ett kretskort, en port för att införa ljus och två till för att injicera droger.

9. Optisk stimulering av musens hjärna producerar den elektriska aktiviteten som registreras här.

Dölj