Волокно «три в одному» поєднало всі стадії оптогенетики

Дослідники з Массачусетського технологічного інституту розробили тонке еластичне волокно діаметром з людське волосся, що дозволяє доставляти оптичні, електричні та хімічні сигнали в мозок. Волокно, таким чином, являє собою пристрій «три в одному», що поєднує в собі функції відразу всіх основних пристроїв, що використовуються в оптогенетиці. Стаття опублікована в журналі.

Оптогенетика широко застосовується в наукових дослідженнях для активації окремих нейронів під дією видимого світла. Для цього в геном нейронів вбудовують гени світлочутливого білка каналродопсина, який потім вбудовується у зовнішню мембрану нейронів і при опроміненні світлом певної довжини хвилі активуються, збуджуючи нейрон. Зараз для виконання всієї цієї схеми потрібно як мінімум три окремих пристрої: голка для внесення вірусних векторів з генами каналродопсину, оптичне волокно для впливу на трансформовані нейрони світлом і електрод для реєстрації збудження нейронів.

Автори нової статті вирішили розробити пристрій, що поєднує в собі функції всіх цих трьох систем. Створені ними волокна діаметром менше 200 мікрон і масою менше 0,5 грама складаються з трьох частин, кожна з яких передає (і приймає) сигнали різної природи. Оптичний канал передає світлові сигнали, шість електродів передають електричні сигнали, а два мікрофлюїдних канали передають хімічні сигнали (наприклад, вірусні вектори для доставки генів).

У випробуваннях волокна автори продемонстрували всі три модуси його роботи. Імплантувавши волокно в головний мозок мишей, спочатку вони доставили до нейронів вірусні вектори, що несуть гени каналродопсину, по одному з двох рідинних каналів. Після успішного вбудовування генів білка в геном нейронів дослідники послали імпульс світла по оптичному каналу волокна. Це стимулювало активність нейронів, яка була зареєстрована шістьма електродами.

За м'якістю та еластичністю імітують тканину головного мозку і при цьому володіють високою провідністю. Такі властивості були досягнуті за рахунок використання поліетилену з вкрапленими в нього графеновими «пластівцями». Волокна отримували за допомогою методу багаторазового нашарування: шар поліетилену посипали графеновими «пластівцями», потім спресовували, потім додавали наступний шар, і так далі.

Завдяки м'якості та еластичності волокно можна залишати в тканині мозку на більш тривалий час порівняно зі звичайними жорсткими оптичними волокнами. Волокно, таким чином, можна використовувати фактично як довготривалий мозковий імплантат. Надалі дослідники планують зменшити ширину волокна і зробити матеріал ще більш м'яким і сумісним з тканиною мозку.

Раніше дослідники з США і Китаю розробили і успішно випробували на людях мозковий імплантат, що дозволяє реєструвати активність окремих нейронів і не пошкоджує тканину головного мозку. А японські вчені розробили наногли, що реєструють активність індивідуальних нейронів при введенні безпосередньо всередину клітини. Також нещодавно успішні випробування на щурах пройшла «нейропиль» - мікроскопічні, що живляться ультразвуком бездротові датчики, здатні реєструвати активність нервів і м'язів.