用于微创光遗传学的超薄光纤

光遗传学的出现开启了神经科学的新时代，因为它允许研究人员在自由移动的动物身上用光激活或抑制特定的神经元。结合电生理记录，光遗传工具可以解开神经元在日常功能和疾病状态下复杂的相互作用。

用于光遗传学的光纤通常具有比电线电极或脑细胞大几个数量级的横截面，这可能会损害记录的神经元并干扰实验结果。近日，来自德国弗莱堡大学光生理学实验室的研究人员们开发了一种基于超薄光纤的改进装置，它对周围的脑组织造成的干扰最小。

结合光遗传操作和电生理记录的一种常见方法是使用大直径的光纤来照亮电极周围的精细组织。然而，这种粗大的光纤不仅限制了动物头部的通道数量，而且由于光化学和电磁干扰、光伏效应和植入时的机械损伤，会对记录质量产生负面影响。

该项目的研究人员表示，同时进行的大规模记录和光遗传干预可能是破译维持大脑功能的神经元之间快节奏和多层面对话的关键。虽然电极经历了从单一导线到数百个记录通道和不断减小的横截面的巨大发展，但在刺激通道的尺寸和数量方面，光纤还没有得到细化。为了缓解这些问题，研究人员们决定用围绕电极的多根超薄、细胞大小的光纤来代替单一的粗光纤。在这个过程中，他们必须开发出一种全新的光学框架，他们称之为熔融光纤光发射和细胞外记录(FFLEXR)，这种框架仍然允许在自由运动的动物身上进行记录和刺激。

FFLEXR采用超薄光纤，外径和芯径分别为30微米和24微米，可以附着在任何硅探针上进行植入。与核心直径为200微米的传统粗纤维不同，FFLEXR的光纤非常灵活，弯曲半径小得多，可以让动物不受阻碍地移动。实验装置还包括一个轻量级的光纤矩阵连接器，一个用于高效多通道刺激的光换向器，以及一个通用的贴片电缆。研究人员表示，他们的替代方法保持了通过外部可互换光源应用任何所需波长的灵活性，并在不同深度的脑组织中实现了光遗传刺激。

 研究人员通过对自由移动的小鼠和大鼠同时进行光遗传操作、电生理记录和行为记录来验证他们的系统。在这两种情况下，动物都被植入了多根微创超薄光纤以及用于高质量细胞外记录的层流探针。最终，他们的目标是将FFLEXR扩展到全脑表面记录和光遗传刺激。

研究人员认为，这个系统未来的用途可能是记录这些光纤的神经元活动，这可能是一种研究空间解析的神经调节信号的方法，还可能是理解多种疾病机理的关键。

图：新型熔接光纤光发射与细胞外记录(FFLEXR)原理图