February 22, 2017
Institut Teknologi Massachusetts
Mahasiswa pascasarjana Seongjun Taman memegang contoh serat yang fleksibel baru, yang tidak lebih besar dari rambut manusia dan telah berhasil dikirim kombinasi sinyal optik, listrik, dan bahan kimia bolak-balik ke otak.
Untuk pertama kalinya, serat fleksibel tunggal tidak lebih besar dari rambut manusia telah berhasil dikirim kombinasi sinyal optik, listrik, dan bahan kimia bolak-balik ke otak, mempraktekkan ide pertama kali diusulkan dua tahun lalu. Dengan beberapa tweaking untuk lebih meningkatkan biokompatibilitas, pendekatan baru bisa menyediakan cara dramatis ditingkatkan untuk belajar tentang fungsi dan interkoneksi dari daerah otak yang berbeda.
Serat baru dikembangkan melalui kolaborasi antara ilmuwan material, kimia, biologi, dan spesialis lainnya. Hasilnya dilaporkan dalam jurnal Nature Neuroscience, di kertas oleh Seongjun Park, seorang mahasiswa pascasarjana MIT; Polina Anikeeva, Kelas tahun 1942 Profesor Pengembangan Karir di Departemen Ilmu dan Teknik Material; Yoel Fink, seorang profesor di departemen Ilmu dan Teknik Material, dan Teknik Elektro dan Ilmu Komputer; Gloria Choi, Profesor Pengembangan Karir Samuel A. Goldblith di Departemen Ilmu Otak dan Kognitif, dan 10 orang lain di MIT dan di tempat lain.
Serat yang dirancang untuk meniru kelembutan dan fleksibilitas jaringan otak. Ini bisa memungkinkan untuk meninggalkan implan di tempat dan mereka mempertahankan fungsi mereka selama periode lebih lama dari yang ada sekarang mungkin dengan kaku khas, serat logam, sehingga memungkinkan pengumpulan data jauh lebih luas. Misalnya, dalam tes dengan tikus laboratorium, para peneliti mampu menyuntikkan vektor virus yang membawa gen yang disebut opsins, yang peka neuron terhadap cahaya, melalui salah satu dari dua saluran cairan dalam serat. Mereka menunggu untuk opsins berlaku, kemudian mengirim pulsa cahaya melalui pandu optik di tengah, dan mencatat aktivitas neuron yang dihasilkan, menggunakan enam elektroda untuk menentukan reaksi tertentu.
Semua fof ini dilakukan melalui serat fleksibel tunggal hanya 200 mikrometer di - sebanding dengan lebar rambut manusia. Sebelumnya upaya penelitian dalam ilmu saraf umumnya mengandalkan perangkat terpisah: jarum untuk menyuntikkan vektor virus untuk optogenetics, serat optik untuk pengiriman cahaya, dan array elektroda untuk merekam, menambahkan banyak komplikasi dan perlunya keberpihakan rumit antara perangkat yang berbeda. Mendapatkan bahwa keselarasan yang tepat dalam praktek adalah "agak probabilistik," kata Anikeeva. "Kami mengatakan, tidak akan lebih baik jika kita memiliki perangkat yang bisa melakukan itu semua."
Setelah bertahun-tahun usaha, itulah yang tim telah sekarang berhasil menunjukkan. "Hal ini dapat memberikan virus [yang berisi opsins] langsung ke sel, dan kemudian merangsang respon dan merekam aktivitas - dan [serat] cukup kecil dan biokompatibel sehingga dapat disimpan dalam untuk waktu yang lama," Anikeeva mengatakan.
Karena setiap serat sangat kecil, "berpotensi, kita bisa menggunakan banyak dari mereka untuk mengamati berbagai daerah aktivitas," katanya. Dalam tes awal mereka, para peneliti menempatkan probe di dua daerah otak yang berbeda sekaligus, bervariasi daerah mana mereka digunakan dari satu percobaan ke yang berikutnya, dan mengukur berapa lama waktu untuk tanggapan untuk melakukan perjalanan di antara mereka.
Bahan utama yang membuat serat multifungsi ini mungkin adalah pengembangan konduktif "kabel" yang mempertahankan fleksibilitas yang dibutuhkan sementara juga membawa sinyal listrik baik. Setelah banyak pekerjaan, tim mampu untuk insinyur komposit dari polietilena konduktif diolah dengan serpihan grafit. polyethylene ini awalnya dibentuk menjadi lapisan, ditaburi serpihan grafit, kemudian dikompresi; kemudian sepasang lapisan ditambahkan dan dikompresi, dan kemudian lagi, dan seterusnya. Seorang anggota tim, Benjamin Grena, lulusan baru dalam ilmu material dan rekayasa, disebut sebagai membuat "mille feuille," (harfiah, "seribu daun," nama Prancis untuk kue Napoleon). Metode yang meningkatkan konduktivitas polimer dengan faktor empat atau lima, Park mengatakan. "Itu memungkinkan kita untuk mengurangi ukuran elektroda dengan jumlah yang sama."
Satu pertanyaan langsung yang dapat diatasi melalui serat tersebut adalah bahwa persis berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk neuron menjadi cahaya peka setelah injeksi bahan genetik. klasifikasi tersebut hanya bisa dibuat oleh perkiraan kasar sebelumnya, tapi sekarang bisa menunjuk lebih jelas, tim mengatakan. Agen kepekaan khusus yang digunakan dalam tes awal mereka ternyata menghasilkan efek setelah sekitar 11 hari.
Tim ini bertujuan untuk mengurangi lebar serat lanjut, untuk membuat sifat mereka lebih dekat dengan orang-orang dari jaringan saraf. "Rekayasa Tantangan selanjutnya adalah dengan menggunakan bahan yang bahkan lebih lembut, untuk benar-benar cocok" dengan jaringan yang berdekatan, Park mengatakan. Sudah, meskipun, puluhan tim penelitian di seluruh dunia telah meminta sampel dari serat baru untuk menguji dalam penelitian mereka sendiri.