有史以来首次，一根不比人类头发粗的柔性纤维成功地将光学、电学和化学信号组合传入大脑并从大脑传出，将两年前首次提出的设想付诸实践。只需稍作调整以进一步提升其生物相容性，这种新方法就有望大幅改善人们了解不同脑区功能及其相互连接方式的能力。
这些新型纤维由材料科学家、化学家、生物学家和其他领域专家合作研发。相关成果发表于期刊《自然·神经科学》，论文作者包括麻省理工学院（MIT）研究生 Seongjun Park；材料科学与工程系1942届职业发展教授 Polina Anikeeva；材料科学与工程系以及电气工程与计算机科学系教授 Yoel Fink；脑与认知科学系 Samuel A. Goldblith 职业发展教授 Gloria Choi；以及麻省理工学院和其他机构的10位研究人员。
这些纤维旨在模拟脑组织的柔软性和灵活性。这样一来，植入物便可能长期留置体内，并在远超目前常见的坚硬金属纤维所能维持的时间内保持功能，从而支持更大规模的数据收集。例如，在实验室小鼠测试中，研究人员通过纤维的两个流体通道之一，注入携带名为视蛋白基因的病毒载体；视蛋白能够使神经元对光敏感。他们等待视蛋白发挥作用，随后通过中央的光波导发送一道光脉冲，并记录由此产生的神经元活动，同时使用六个电极确定具体反应的位置。所有这些操作都是通过一根直径仅200微米的柔性纤维完成的，其宽度与人类头发相当。
以往的神经科学研究通常依赖彼此独立的设备：用针头注射用于光遗传学的病毒载体，用光纤传递光线，再用电极阵列记录信号。这不仅大大增加了操作复杂性，也要求不同设备之间进行精细对准。Anikeeva说，实际操作中要准确对齐“多少有些靠运气”。她说：“我们想，若有一种设备能把所有事情都做了，那该多好。”
经过多年努力，团队如今成功展示了这样的设备。Anikeeva说：“它能将病毒［含有视蛋白］直接送到细胞，然后刺激细胞作出反应并记录其活动；而且［这种纤维］足够小、生物相容性足够好，可以长期留置体内。”
她说，每根纤维都非常细小，“我们有可能使用许多根纤维来观察不同区域的活动”。在初步测试中，研究人员同时将探针放入两个不同脑区，在不同实验中更换所选脑区，并测量反应在两个脑区之间传递所需的时间。
使这种多功能纤维成为可能的关键，是研发出既能保持所需柔韧性、又能良好传导电信号的导电“导线”。经过大量研究，团队成功制成一种复合材料：掺入石墨薄片的导电聚乙烯。研究人员先将聚乙烯制成层状，撒上石墨薄片后压合；再加入另一对层并压合，如此反复。团队成员 Benjamin Grena 是材料科学与工程专业的应届毕业生，他将这一过程比作制作“千层酥”（法语名称 mille feuille，字面意思是“一千片叶子”，也是拿破仑酥的法语名称）。Park说，这种方法使聚合物的导电性提高了四到五倍。“这让我们能够将电极尺寸缩小同样的倍数。”
这类纤维能够立即帮助解答的一个问题是：注入遗传物质后，神经元究竟需要多长时间才会对光敏感。团队表示，过去只能粗略估算这一时间，如今则可以更准确地确定。他们在初步测试中使用的特定感光剂，约11天后开始产生作用。
团队计划进一步缩小纤维的宽度，使其特性更加接近神经组织。Park说：“下一项工程挑战是采用更柔软的材料，真正匹配”相邻组织的特性。尽管如此，全球已有数十个研究团队要求获取这种新型纤维样品，以便在各自的研究中进行测试。
西北大学材料科学与工程、生物医学工程及神经外科教授 John Rogers 并未参与这项研究。他说：“作者展示了多功能纤维器件的一些设计与能力，精巧程度令人瞩目；他们在光遗传学脑功能研究中创建了一个统一平台，可在同一位置实现表达、记录和照明。”他还说：“这类技术和工具的进步对推动神经科学研究至关重要。”
研究团队成员来自麻省理工学院电子学研究实验室、电气工程与计算机科学系、McGovern 脑研究所、化学工程系和机械工程系，也包括日本东北大学和弗吉尼亚理工学院的研究人员。研究获得美国国家神经疾病与中风研究所、美国国家科学基金会、麻省理工学院材料科学与工程中心、感觉运动神经工程中心以及 McGovern 脑研究所的支持。
