Волокно «три в одном» совместило все стадии оптогенетики

Исследователи из Массачусетского технологического института разработали тонкое эластичное волокно диаметром с человеческий волос, позволяющее доставлять оптические, электрические и химические сигналы в мозг. Волокно, таким образом, представляет собой устройство «три в одном», совмещающее в себе функции сразу всех основных устройств, использующихся в оптогенетике. Статья опубликована в журнале Nature Neuroscience.

Оптогенетика широко применяется в научных исследованиях для активации отдельных нейронов под действием видимого света. Для этого в геном нейронов встраивают гены светочувствительного белка каналродопсина, который затем встраивается во внешнюю мембрану нейронов и при облучении светом определенной длины волны активируются, возбуждая нейрон. В настоящее время для выполнения всей этой схемы требуется как минимум три отдельных устройства: игла для внесения вирусных векторов с генами каналродопсина, оптическое волокно для воздействия на трансформированные нейроны светом и электрод для регистрации возбуждения нейронов.

Авторы новой статьи решили разработать устройство, сочетающее в себе функции всех этих трех систем. Созданные ими волокна диаметром менее 200 микрон и массой менее 0,5 грамма состоят из трех частей, каждая из которых передает (и принимает) сигналы разной природы. Оптический канал передает световые сигналы, шесть электродов передают электрические сигналы, а два микрофлюидных канала передают химические сигналы (например, вирусные векторы для доставки генов).

В испытаниях волокна авторы продемонстрировали все три модуса его работы. Имплантировав волокно в головной мозг мышей, сначала они доставили к нейронам вирусные векторы, несущие гены каналродопсина, по одному из двух жидкостных каналов. После успешного встраивания генов белка в геном нейронов исследователи послали импульс света по оптическому каналу волокна. Это стимулировало активность нейронов, которая была зарегистрирована шестью электродами.

По мягкости и эластичности имитируют ткань головного мозга и при этом обладают высокой проводимостью. Такие свойства были достигнуты за счет использования полиэтилена с вкрапленными в него графеновыми «хлопьями». Волокна получали с помощью метода многократного наслоения: слой полиэтилена посыпали графеновыми «хлопьями», затем спрессовывали, затем добавляли следующий слой, и так далее.

Благодаря мягкости и эластичности волокно можно оставлять в ткани мозга на более продолжительное время по сравнению с обычными жесткими оптическими волокнами. Волокно, таким образом, можно использовать фактически как долговременный мозговой имплантат. В дальнейшем исследователи планируют уменьшить ширину волокна и сделать материал еще более мягким и совместимым с тканью мозга.

Ранее исследователи из США и Китая разработали и успешно испытали на людях мозговой имплантат, позволяющий регистрировать активность отдельных нейронов и не повреждающий ткань головного мозга. А японские ученые разработали наноиглы, регистрирующие активность индивидуальныз нейронов при введении непосредственно внутрь клетки. Также недавно успешные испытания на крысах прошла «нейропыль» — микроскопические, питающиеся ультразвуком беспроводные датчики, способные регистрировать активность нервов и мышц.

Софья Долотовская