Волокно толщиной не более волоса способно передавать сигналы в мозг и от него

Ученые создали гибкое волокно толщиной не более волоса, которое впервые смогло передать комбинацию из оптических, химических и электрических сигналов в мозг и обратно. После некоторой модификации, направленной на улучшение биосовместимости волокна, с его помощью можно будет значительно больше узнать о функциях разных регионов мозга и взаимосвязях между этими регионами. Разработкой волокна занималась группа специалистов, в которой в том числе присутствовали материаловеды, химики и биологи.

Изделие сделано так, чтобы повторять мягкость и эластичность мозговой ткани. Благодаря этому созданные из таких волокон имплантаты, в отличие от металлических волокон, могут дольше оставаться в организме и за это время соберут намного больше информации. Ученые провели эксперимент на лабораторных мышах – запустили в их организм вирусные векторы, содержащие гены под названием опсины, которые делали нейроны светочувствительными. Через некоторое время, которое было необходимо для работы генов, исследователи через оптический волновод воздействовали на нейроны светом и пронаблюдали за их активностью, используя шесть электродов, чтобы выявить специфические реакции. Все это было сделано с помощью единственного волокна диаметром всего в 200 мкм, что сравнимо с толщиной человеческого волоса.

Ранее для этого требовалось применить несколько разнообразных устройств – иглы для ввода вирусных векторов, оптоволокно для «доставки» света и электроды для записи, и все эти инструменты необходимо было объединить в одну работающую систему. Одна из авторов исследования, инженер-материаловед Полина Аникеева, пояснила, что разработка позволяет ввести вирусный вектор непосредственно в клетку, спровоцировать ее ответ и затем записать ее активность, а поскольку волокно очень тонкое и не отторгается организмом – это можно делать в течение длительного времени.

Само волокно состоит из композитного материала – множества слоев токопроводящего полиэтилена и чешуек графита. Каждый такой слой подвергся давлению. Еще один из авторов работы, Бенджамин Грена (Benjamin Grena), сравнил материал волокна с тем, как делается торт «Наполеон». Такая техника позволила увеличить электропроводность материала в 4-5 раз и соответствующим образом уменьшить электроды. Участник научной группы Сенжун Парк (Seongjun Park) рассказал, что следующая цель его и его коллег – сделать волокно еще тоньше, чтобы максимально приблизить его параметры к характеристикам нервной ткани.

Один из вопросов, которые удалось решить с помощью нового волокна – это то, как долго нейроны остаются светочувствительными после инъекции опсинов. Оказалось, что клетки все еще реагировали на свет даже спустя 11 дней. Ранее такой подсчет был невозможен, и ученые руководствовались грубыми приближениями.