Ein Schweizer Taschenmesser für die Neurowissenschaften

Links: Polymerschlösser sind der Ausgangspunkt für die Herstellung einer multifunktionalen Nervensonde. In einer Maschinenhalle werden Muster aus leitfähigen Metallstäben, transparenten Kunststoffen oder Hohlräumen hinzugefügt, wodurch ein Vorformling entsteht.

Rechts: Der Vorformling wird in diesen 12 Fuß hohen Faserziehturm geladen.

In den letzten Jahren wurden verschiedene leistungsstarke neue Werkzeuge zur Erforschung und Manipulation des Gehirns entwickelt. Einige verwenden Elektronik, während andere Licht oder Chemikalien verwenden.

In einem MIT-Labor hat die Materialwissenschaftlerin Polina Anikeeva einen Weg gefunden, ein Schweizer Taschenmesser für die Hirnforschung herzustellen. Die neuralen Sonden, die sie baut, transportieren Licht, während sie Elektrizität sammeln und übertragen, und sie haben auch winzige Kanäle, durch die Medikamente gepumpt werden können.

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Mai 2015

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Das ist ein Fortschritt gegenüber Metalldrähten oder Siliziumelektroden, die herkömmlicherweise zur Untersuchung von Neuronen verwendet werden. Anikeeva stellt die Sonden her, indem sie Polymere und Metalle zu großen Blöcken oder Vorformen zusammensetzt und sie dann zu flexiblen, ultradünnen Fasern streckt.

Polina Anikeeva

Multifunktionale Fasern bieten neue Möglichkeiten, das Verhalten von Tieren zu untersuchen, da sie Neuronen aufzeichnen und stimulieren können. Auch neue Arten von Medizintechnik könnten entstehen. Stellen Sie sich wie Anikeeva eine bionische Verkabelung vor, die eine Rückenmarksverletzung überbrückt, elektrische Signale vom Gehirn sammelt und sie an die Muskeln einer gelähmten Hand überträgt.

Anikeeva stellte ihre erste multifunktionale Sonde während ihres Studiums in Stanford her. Es war grob: Sie wickelte einfach Metalldrähte um einen Glasfaden. Aber dadurch wurde es möglich, Standard-Elektrodenmessungen mit einer neuen Technologie, der Optogenetik, zu kombinieren, bei der Licht auf Neuronen geschossen wird, um sie zu aktivieren oder abzuschalten.

Jetzt stellt Anikeeva, Professorin für Materialwissenschaft und -technik, Sonden her, indem sie eine Faserziehtechnologie verwendet, die von einem anderen MIT-Forscher, Yoel Fink, entwickelt wurde. Es basiert auf der Art und Weise, wie Siliziumdioxid erhitzt und gezogen wird, um Telekommunikationsfasern zu bilden. Aber es funktioniert bei niedrigeren Temperaturen, bei denen viele nützliche Polymere weich genug werden, um sich zu dehnen.

Polymerfasern haben einige wichtige Vorteile. Zum einen sind sie flexibel und ahmen die physikalischen Eigenschaften von Gewebe nach. Das könnte es ihnen ermöglichen, länger zu arbeiten als die steifen Metallelektroden, auf die sich Neurowissenschaftler verlassen, und Langzeitstudien an Tieren ermöglichen. Die zweite Eigenschaft der Fasern ist, dass sie viele Funktionen vereinen können. Bisher hergestellte Sonden haben bis zu 36 Mikrodrähte, optische Wellenleiter und Hohlkanäle zum Tragen von Medikamenten eingebaut. Es gibt keinen Grund, nicht auch Sensoren zur Temperatur- oder Druckmessung einzubauen. Im Inneren des Körpers können die richtigen Materialien und Strukturen sogar dazu führen, dass sich Nerven an den Fasern anlagern, so wie Knochen mit einem Hüftimplantat verschmelzen.

Der Faserziehprozess schrumpft große Muster in mikroskopische, wobei die Details erhalten bleiben. Aber es gibt Herausforderungen. Die winzigen Drähte und Schläuche müssen von Hand abisoliert, gespreizt und gelötet werden, um sie mit Komponenten wie einem Aufnahmegerät zu verbinden, das eine Maus auf dem Kopf trägt. Das ist ein ziemlicher Alptraum, sagt Andres Canales, ein Doktorand, der hofft, das Problem zu lösen.

Werden Polymer-Biodrähte letztendlich Lähmungen heilen – sagen wir, indem sie Nervensignale über ein verletztes Rückenmark leiten? Ich denke, es wird eine Version dieser Technologie sein, eine anspruchsvollere Version, sagt Anikeeva. Zumindest werden wir diesen Weg weiterverfolgen.

3. Eine Sammlung von Vorformresten nach dem Ziehen. Indium-Zinn-Stäbchen sind in den Überresten der Vorform in der Mitte sichtbar.

4. Die Faser wird aus dem Ofen gezogen, nachdem sie auf 350 °C erhitzt wurde. Ein Mikrometer (rotes Licht) überwacht die Größe der Faser.

5. Jede Vorform wird zu bis zu einem Kilometer Faser gezogen. Es ist jetzt etwa 1/100 so dick wie es ursprünglich war.

6. Eine Faser wird in THF, einem Lösungsmittel, eingeweicht, um einen Schutzmantel zu entfernen.

7. Ein Querschnitt einer 0,35 Millimeter breiten Faser, die vier Elektroden, einen Flüssigkeitskanal und einen ringförmigen Wellenleiter enthält. Rechts scheint Licht durch den Wellenleiter.

8. Diese Maus hat eine Faser im Gehirn implantiert. Auf seinem Kopf sind eine Platine, eine Öffnung zum Einführen von Licht und zwei weitere zum Injizieren von Medikamenten zu sehen.

9. Die optische Stimulation des Gehirns der Maus erzeugt die hier aufgezeichnete elektrische Aktivität.

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