Эксперимент с введением раствора с опсинами в мозг мыши, подсветкой нейронов и регистрации их чувствительности к свету. Нейроны в мозге начинают реагировать на свет под воздействием опсинов. Весь эксперимент осуществлён с помощью одного электропроводящего оптоволокна с двумя каналами для жидкости и шестью электродами

Полина Аникеева с коллегами из Массачусетского технологического института разработали первое в мире цельное гибкое оптоволокно толщиной менее 200 мкм, которое одновременно передаёт комбинацию оптических, электрических и химических сигналов. Оптоволокно передаёт данные в обе стороны — в мозг и из мозга.

Основная задача оптоволокна в ближайшей перспективе — биологические эксперименты. Собственно, это оптоволокно изобрели конкретно для одного специфического эксперимента. Но если усовершенствовать этот материал и улучшить его биосовместимость, то он может найти реальное применение в нейроинтерфейсах.

Новые волокна разработаны в сотрудничестве большого коллектива специалистов по химии, биологии, материаловедению и другим наукам. Материал разработан с таким прицелом, чтобы максимально соответствовать свойствам тканей мозга. Хотя максимальная совместимость ещё не достигнута, но оптика будет незаметно интегрироваться в эту ткань, сохраняя свои свойства гораздо дольше, чем обычные штифты, металлические волокна, которые применяются сейчас. Таким образом, оптоволокно позволит собрать больше данных за больший срок, а это означает значительное расширение экспериментального поля.

Например, во время одного из эксперимента учёные инъецировали в мозг мыши вирусные векторы с опсинами — группой связанных с мембраной светочувствительных белков, которые обнаружены в фоточувствительных клетках сетчатки. Пять групп опсинов принимают участие в зрении, передаче света в электрохимических сигналов. Они являются первым этапом в каскаде зрительной трансдукции. Именно с помощью опсинов нейроны начинают реагировать на свет.

Опсины были введены мышам через один из двух каналов для жидкости в оптоволокне.

Далее исследователи хотели посмотреть, каким образом опсины начнут действовать. Они подождали некоторое время, а потом подсветили нейроны видимым светом через оптический волновод в центре оптоволокна — и записали результирующую активность нейронов с помощью шести электродов, рассчитанных на конкретные реакции нейронов.

Так вот, всё перечисленное осуществили с помощью единственного оптоволоконного канала толщиной менее 200 микрометров. Чтобы такой эксперимент осуществить в прошлом, пришлось бы использовать целый ряд различных устройств: иголки для введения вирусных векторов, оптические волокна для подсветки, отдельные массивы электродов для снятия сигнала. Такой эксперимент стал бы на порядок сложнее, если бы вообще его можно было осуществить надёжным и повторяемым образом.

Полина Аникеева, выпускница Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (2003) и факультета материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института (2009), несколько лет занималась разработкой такого материала с группой коллег — и наконец его успешно продемонстрировали. Научная работа опубликована 20 февраля 2017 года в журнале Nature Neuroscience (doi:10.1038/nn.4510). Хотя у адъюнкт-профессора Аникеевой есть 35 опубликованных научных статей и 8 патентов, но эту публикацию в Nature Neuroscience можно считать важной вехой научной карьеры.

Маленький диаметр волокон позволяет подключать их одновременно к разным отделам мозга — и собирать информацию сразу со всех отделов. В одном эксперименте можно изучать один отдел мозга, в другом эксперименте — другой отдел. Раньше для считывания сигнала из мозга с помощью электродов требовались зонды диаметром более 400 мкм, чтобы компенсировать относительно низкую электрическую проводимость коммерчески доступных полимеров. Сейчас их диаметр значительно уменьшили. К тому же, этот канал можно использовать для дополнительных манипуляций с мозговым веществом: подсветки, инъекций жидкости и т.д. Это очень удобно.

Технически материал с такими свойствами удалось изготовить, объединив отдельные каналы из композитного материала, которые обладают необходимой гибкостью, но при этом проводят электрический ток. Их сделали из проводящего полиэтилена, легированного графитовой стружкой. Полиэтилен был сформирован слоями, между которыми посыпали графит, затем сжимали — и так дальше с каждым слоем. Такая конструкция позволила в несколько раз повысить электропроводность полиэтилена и одновременно уменьшить сечение волокна. Технический процесс изготовления полимерного композита под названием gCPE показан на иллюстрациях.



Использование нового материала позволило наконец-то провести тот самый эксперимент с долговременным изучением светочувствительности нейронов после взаимодействия с опсинами.



Раньше учёные могли только делать грубые оценки, как долго сохраняется светочувствительность. Теперь они знают, что при использовании этого конкретного агента она сохраняется примерно 11 суток.

А вообще имплантированный зонд продолжал записывать активность нейронов более трёх месяцев, то есть материал уже сейчас обладает неплохой биосовместимостью.