用于研究大脑的纳米级光学探针

  一谈到记录和刺激大脑活动，科学家可以利用一个强大的工具——光。一个由意大利技术研究院（IIT）组织的跨国研究组已经开发出纳米尺度的光调节器，该器件安装在微米光纤上，这种足够细的光纤能够研究大脑深层的神经组织。以上工作作为杂志《Advance Optical Materials》的封面，为创新型微创神经探测器用来研究中枢神经系统奠定了基础。在不久的将来，纳米级光学探针将被专门用于研究脑部疾病，包括脑瘤和癫痫等。

图1 表面构造了纳米微结构的锥形光纤，通过操纵这种光纤可以深入大脑区域。通过在探针显微镜的尖端涂上薄薄的金层，然后用镓离子束作为凿子，形成光学元件的纳米网格。（图片来源：IIT-Istituto Italiano di Tecnologia）

       这项工作是由意大利技术研究院（IIT）与意大利萨伦托大学、意大利巴里理工大学、西班牙高等科学研究理事会（CSIC）和西班牙国家肿瘤研究中心（CNIO）合作研究的。

       论文第一作者菲利波·皮萨诺，是IIT生物分子纳米技术中心（CBN）的研究员，该中心坐落在意大利南部城市莱切，合作者有意大利理工大学的马尔科·格兰德以及CBN的两位首席研究员费鲁西奥·皮萨内洛和马西莫·德维托里奥。

       在意大利，这个交叉研究组的目标是能够利用光束，即制作纳米光学器件，以一种精密方式研究神经组织的显微尺度结构。为了这个目标，科学家结合纳米尺度制造技术和生物医学神经工程领域的知识，进而拓展表面等离极化激元物理学，并创造出一种探测工具，通过修改和放大探测路径以便于光可以刺激以及检测选择的大脑区域。

       研究者从一根比头发还细的光纤开始，然后给这种光纤配置纳米结构，光纤深入大脑的同时，刺激其发出信号，纳米结构可以与之共振。通过在探针显微镜的尖端涂上一层极薄的金，然后释放镓离子束凿100 nm细的光学元件，从而形成了纳米网格，其特征在各种显微镜和光谱实验中得到验证（图1）。

       幸得如此制作方式，我们才有机会拥有这种工具，同时操控探测光束的调幅以及作用在大脑皮层表面的局域电场，其作用面积与脑细胞表面积相当。这样，研究人员有机会研究光束和神经元结构之间的相互作用，即使是大脑最深处的神经元。

       这种可植入的等离子体系统的建立可能为中枢神经系统的研究提供了一个新的视角：纳米结构的放大作用可作为生物化学和细胞结构病变领域的有效工具，检测一些神经疾病的起源。

       因此，西班牙国际研究组的部分成员正集中于探索它潜在的应用领域。目前，来自CSIC，由Liset M de la Prida领导的实验研究员致力于将这种探针应用于创伤后癫痫和神经退行性疾病（如阿尔兹海默症）。同时，由于原发性肿瘤和转移性肿瘤的治疗手段不同，CNIO的Manuel Valiente领导的脑转移研究组将研究如何利用该技术区分这两种肿瘤，并且利用光束透化脑血屏障，以便于抗肿瘤药物跨过血管的阻碍作用在病灶。