麻省理工学院的研究人员展示了一种完全由聚合物制成、具有高度柔性的神经探针。它既能以光刺激神经活动，也能记录小鼠脊髓中的神经活动——这是开发可恢复受损神经功能的假体设备的一步。
“我们的目标是创造一种工具，使神经科学家和医生能够在细胞和系统层面研究脊髓功能，同时尽可能减少对组织完整性的影响，” 波莉娜·阿尼克耶娃指出。她是材料科学与工程系 AMAX 助理教授，也是这篇论文的资深作者。论文于 11 月 7 日发表在 《先进功能材料》上。
设计并植入该探针的材料科学与工程系研究生陆驰（Alice）是这项研究的第一作者。共同作者包括西蒙斯社会脑研究中心的 Ulrich Froriep；电子研究实验室的 Ryan Koppes；材料科学与工程系的 Andres Canales 和 Jennifer Selvidge；以及麦戈文脑研究所的 Vittorio Caggiano 和 Emilio Bizzi。Yoel Fink 教授提供了纤维拉制塔的使用机会。
实验结果
光遗传学是一种通过基因改造使哺乳动物神经细胞对光敏感的方法。尽管过去十年间，该方法已广泛用于脑功能研究，脊髓研究却进展滞后。今年早些时候，Caggiano 和 Bizzi 展示了抑制 运动功能的效果；如今，这两个团队的合作研制出一种适用于脊髓光学刺激肌肉活动的设备，同时还能为研究人员提供电信号读数。
“在脊髓中开展工作比在脑中难得多，因为脊髓会经历更多运动。小鼠脊髓的半径约为 1 毫米，而且非常柔软，因此我们花了一些时间才找到设计方案，既能进行刺激和记录，又不损伤组织，”陆解释说。
研究人员从一个厚近 1.5 英寸的模板拉制出纤维，最终直径与人类头发相当。它柔韧到可以打结。该探针由透明聚碳酸酯光学芯、用于记录神经元电活动的平行导电聚乙烯电极，以及同时充当电绝缘层和光学包层的环烯烃共聚物组成。柔性探针在弯曲至 270 度、曲率半径很小（例如 500 µm）时，仍能保持光学和电学功能，不过在这些条件下导光能力会有所减弱。报告显示，设备经反复弯曲和拉直后仍表现良好，能够承受正常身体运动所带来的预期应力。麻省理工学院已为该设备平台提交专利申请。
研究人员使用经过基因改造的小鼠开展神经探针实验。这些小鼠表达带有黄色荧光蛋白标记的光敏蛋白通道视紫红质 2（ChR2）。ChR2 使小鼠的神经元对蓝光产生响应。这些小鼠由麦戈文脑研究所的 冯国平 教授及其同事培育，为光电神经假体提供了一个方便的模型系统。“向脊髓发射蓝光脉冲时，我们可以通过电记录直接观察神经元的响应，”陆解释道。她今年秋季进入博士项目第三年。
研究人员报告称：“经由纤维探针的[聚碳酸酯]芯传递的激光脉冲，能够可靠地诱发脊髓神经活动；该活动由集成在同一设备中的……电极记录。”
研究人员将纤维插入小鼠脊髓近端的腰段，并通过纤维传递光线，触发小腿的一块肌肉——腓肠肌——活动。研究人员将光敏小鼠的结果与野生型小鼠的结果进行比较，验证了实验结果；野生型小鼠对光学触发没有响应。捏脚趾的实验表明，该设备仍能记录野生型小鼠中由机械刺激引发的神经活动。研究人员通过肌电图（EMG）记录监测肌肉活动，同时用新设备中的导电聚乙烯电极记录脊髓中的神经活动。
乔治亚理工学院和埃默里医学院生物医学工程系主任、Wallace H. Coulter 教授 Ravi V. Bellamkonda 表示，麻省理工学院研究人员将神经元活动记录与光刺激神经元结合在同一系统中，是一项创新。“原则上，人们希望使用‘闭环’系统，也就是说，检测到一个神经事件——例如大脑试图移动肢体——然后进行刺激，以影响该功能；当脊髓损伤等伤害切断了两者之间自然联系时，这一点尤其重要，”他解释说。
Bellamkonda 说：“这是一项出色的工程成果，将电气工程与光学工程结合起来，应用于重要的生物学领域——以闭环方式调节神经功能。我期待未来看到这项技术在具有重要生物学意义的场景中得到应用。”
这项工作部分由以下机构提供的资助支持：美国国家科学基金会通过 感觉运动神经工程中心 和 材料科学与工程中心提供的资助； 麦戈文脑研究所神经技术项目；以及西蒙斯基金会。
与 麻省理工学院新闻
合作发表。作者：Denis Paiste 于 2012 年 8 月从报业加入麻省理工学院材料加工中心。
图片：神经的插图。
