Een Zwitsers zakmes voor neurowetenschap

Links: sloten van polymeren zijn het startpunt voor het maken van een multifunctionele neurale sonde. In een machinewerkplaats worden patronen van geleidende metalen staven, transparante kunststoffen of holle ruimtes toegevoegd, waardoor een voorvorm ontstaat.

Rechts: de voorvorm wordt in deze 12 meter hoge vezeltrektoren geladen.

De afgelopen jaren zijn er verschillende krachtige nieuwe tools ontwikkeld om de hersenen te verkennen en te manipuleren. Sommigen gebruiken elektronica, terwijl anderen licht of chemicaliën gebruiken.

In een MIT-lab heeft materiaalwetenschapper Polina Anikeeva een manier gevonden om wat neerkomt op een hersenwetenschappelijk Zwitsers zakmes te vervaardigen. De neurale sondes die ze bouwt, dragen licht terwijl ze elektriciteit verzamelen en verzenden, en ze hebben ook kleine kanaaltjes waardoor medicijnen kunnen worden gepompt.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2015

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Dat is een vooruitgang ten opzichte van metalen draden of siliciumelektroden die conventioneel worden gebruikt om neuronen te bestuderen. Anikeeva maakt de sondes door polymeren en metalen samen te voegen tot grootschalige blokken, of preforms, en ze vervolgens uit te rekken tot flexibele, ultradunne vezels.

Polina Anikeeva

Multifunctionele vezels bieden nieuwe manieren om diergedrag te bestuderen, omdat ze zowel neuronen kunnen opnemen als stimuleren. Er kunnen ook nieuwe vormen van medische technologie ontstaan. Stel je voor, zoals Anikeeva doet, bionische bedrading die een dwarslaesie overbrugt, elektrische signalen van de hersenen verzamelt en deze doorgeeft aan de spieren van een verlamde hand.

Anikeeva maakte haar eerste multifunctionele sonde tijdens haar studie aan Stanford. Het was grof: ze wikkelde gewoon metalen draden om een ​​glasdraad. Maar dit maakte het mogelijk om standaard elektrodemetingen te combineren met een nieuwe technologie, optogenetica, waarbij licht wordt afgevuurd op neuronen om ze te activeren of uit te schakelen.

Nu maakt Anikeeva, een professor in materiaalkunde en engineering, sondes met behulp van een vezeltrektechnologie die is ontwikkeld door een andere MIT-onderzoeker, Yoel Fink. Het is gebaseerd op de manier waarop silica wordt verwarmd en getrokken om telecommunicatievezel te vormen. Maar het werkt bij lagere temperaturen, waarbij veel bruikbare polymeren zacht genoeg worden om uit te rekken.

Polymeervezels hebben een aantal belangrijke voordelen. Een daarvan is dat ze flexibel zijn en de fysieke eigenschappen van weefsel nabootsen. Daardoor zouden ze langer kunnen werken dan de stijve metalen elektroden waarop neurowetenschappers hebben vertrouwd, waardoor langetermijnstudies bij dieren mogelijk zijn. Het tweede kenmerk van de vezels is dat ze veel functies kunnen combineren. Tot nu toe gemaakte sondes bevatten maar liefst 36 microdraden, optische golfgeleiders en holle kanalen voor het dragen van medicijnen. Er is geen reden om geen sensoren op te nemen om ook temperatuur of druk te meten. In het lichaam kunnen de juiste materialen en structuren zelfs zenuwen verleiden om zich aan de vezels te hechten, zoals bot samensmelt met een heupimplantaat.

Het vezeltrekproces verkleint grote patronen tot microscopisch kleine patronen, waarbij de details behouden blijven. Maar er zijn uitdagingen. De kleine draden en buizen moeten met de hand worden gestript, gespreid en gesoldeerd om ze te verbinden met componenten zoals een opnameapparaat dat een muis op zijn hoofd draagt. Dat is nogal een nachtmerrie, zegt Andres Canales, een afgestudeerde student, die het probleem hoopt op te lossen.

Zullen polymere biodraden uiteindelijk verlamming genezen, bijvoorbeeld door zenuwsignalen over een gewond ruggenmerg te vervoeren? Ik denk dat het een versie van deze technologie zal zijn, een meer geavanceerde versie, zegt Anikeeva. Deze weg gaan we in ieder geval volgen.

3. Een verzameling preform-restjes na het tekenen. Indium-tin staven zijn zichtbaar in wat er over is van de voorvorm in het midden.

4. Vezel wordt uit de oven getrokken na verhitting tot 350 °C. Een micrometer (rood licht) bewaakt de grootte van de vezel.

5. Elke preform wordt tot wel één kilometer vezel getrokken. Het is nu ongeveer 1/100ste zo dik als het oorspronkelijk was.

6. Een vezel weekt in THF, een oplosmiddel, om een ​​beschermende bekleding te verwijderen.

7. Een dwarsdoorsnede van een 0,35 millimeter brede vezel met daarin vier elektroden, een vloeistofkanaal en een ringvormige golfgeleider. Rechts schijnt licht door de golfgeleider.

8. Deze muis heeft een vezel geïmplanteerd in zijn hersenen. Zichtbaar op zijn kop zijn een printplaat, een poort om licht te introduceren en nog twee om medicijnen te injecteren.

9. Het optisch stimuleren van de hersenen van de muis produceert de hier geregistreerde elektrische activiteit.

zich verstoppen