光遗传学能够用光精确控制神经细胞群体，从而实现兴奋或抑制。通过简单地打开或关闭灯，科学家可以研究不同细胞如何协同工作，并有可能开发出新的治疗干预措施。然而，将光传递给在运动过程中经历紧张的外周神经是一项挑战。由刚性材料制成的光输送装置，如二氧化硅纤维，会阻碍动物的自然行为，并可能导致组织损伤。

水凝胶是一种高含水量的交联聚合物，由于其可调的机械性能和在可见光范围内的光学透明度，是在运动过程中向周围神经输送光的有前途的替代品。通常，这些柔软且可拉伸的材料在动物运动过程中容易因反复变形而发生疲劳断裂。此外，大多数水凝胶的折射率不足以有效地引导纤维芯内的光，导致相当大的光损失。因此，研究人员正在寻找一种能够在动态条件下有效传递光线，同时保护动物天然行为的方法。

为了应对这些挑战，麻省理工学院赵选贺、Polina Anikeeva、刘心悦和纽约州立大学宾汉姆顿分校Siyuan Rao等研究人员通过控制聚合物纳米晶域的生长来设计水凝胶的光学和机械性能。

这种方法能够创建抗疲劳水凝胶，即使在连续变形的情况下，也能表现出高透射率和高折射率。具体而言，研究人员构建了一种基于水凝胶的光纤，该光纤包含具有不同折射率的聚乙烯醇水凝胶的芯-包层结构。在纤维的远端，水凝胶套囊包裹着坐骨神经。通过在水凝胶制造过程中利用退火和交联策略，研究人员设计了纳米晶域以获得最佳的光吸收、散射和折射特性。例如，作者在水凝胶光学核心中引入更多的纳米晶域，以确保其折射率超过水凝胶包层和体液的折射率，将光限制在水凝胶核心内。

图|水凝胶光纤的设计与机理

水凝胶内聚合物纳米晶域的形成产生的纤维具有 1.07 dB/cm 的低光学损耗，而且这些纳米晶畴在重复纤维拉伸过程中也有助于提高机械弹性，疲劳强度为1.4 MPa，抵抗30000次拉伸循环。

作为概念验证应用，研究人员将这些抗疲劳水凝胶光纤植入小鼠的坐骨神经上，这些神经表达视紫红质（光控离子通道）以进行激发或氯泵以进行抑制，从而通过光遗传学激活或抑制神经活动。使用慢性炎症疼痛小鼠模型，观察到在小鼠的自然行为中，向坐骨神经输送光可以减轻疼痛超敏反应。这种光遗传学疼痛抑制效应在 8 周内的自然行为小鼠中观察到，纤维在超过 30000 次变形循环后仍保持其功能。

图|水凝胶光纤实现的光遗传学刺激

图|水凝胶光纤对自然行为小鼠痛觉的光遗传学抑制

抗疲劳水凝胶光纤的演示为运动期间将光传输到周围神经开辟了途径。水凝胶纤维的合成和制造可以使用成型技术放大，从而能够生产具有不同直径、可调折射率和高均匀性的纤维。这种增强可以进一步减少光损失，使这些纤维更适合大型动物。

除了周围神经外，光传输策略还可以应用于其他运动器官，例如心脏和肠道。这些水凝胶纤维的实用性已被证实主要用于光传输，充当光波导。然而，在未来，它们的功能阵列可以扩展到其他基于水凝胶的功能组件，例如用于电生理学的微电极。

展望未来，作者的目标是增强水凝胶纤维的性能和适应性。除了将光传递到组织进行光遗传学刺激之外，这些纤维还可以通过使用离子和神经递质的荧光指示剂从组织中提取光进行光学记录。因此，水凝胶光纤可以在自然动物行为的背景下实现同步神经调制和光学记录。这些进展将有助于未来对周围神经系统的研究。

参考文献：

Liu, X., Rao, S., Chen, W. et al. Fatigue-resistant hydrogel optical fibers enable peripheral nerve optogenetics during locomotion. Nat Methods (2023).

https://doi.org/10.1038/s41592-023-02020-9