研究開(kāi)發(fā)三維多功能神經(jīng)界面。 ? 圖片來(lái)源：西北大學(xué)

美國(guó)西北大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員，開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，有望增加人們對(duì)大腦發(fā)育方式的理解，并為神經(jīng)創(chuàng)傷和神經(jīng)退行性疾病后的大腦修復(fù)提供答案。

該研究是第一個(gè)將最復(fù)雜的三維生物電子系統(tǒng)與人類(lèi)神經(jīng)系統(tǒng)相結(jié)合的研究，其目標(biāo)是精確研究人類(lèi)大腦回路是如何在體外發(fā)育和自我修復(fù)的。相關(guān)論文近日刊登于《科學(xué)進(jìn)展》。

研究中使用的皮質(zhì)球狀體類(lèi)似于“迷你大腦”，來(lái)自人類(lèi)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞。利用該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的三維神經(jīng)接口系統(tǒng)，科學(xué)家創(chuàng)建了一個(gè)“微型培養(yǎng)皿實(shí)驗(yàn)室”，專(zhuān)門(mén)研究這些微型大腦，同時(shí)收集不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)。

研究人員利用電極記錄“迷你大腦”電活動(dòng)，并添加了微小的加熱元件保持大腦培養(yǎng)物的溫度，或者在某些情況下故意給它們施加壓力。他們還采用了微型探針——如氧傳感器和小型LED燈——進(jìn)行光遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)。例如，他們?cè)诩?xì)胞中引入基因，以便用不同顏色的光脈沖控制神經(jīng)活動(dòng)。

這個(gè)平臺(tái)使科學(xué)家能夠在不直接涉及人類(lèi)或進(jìn)行侵入性測(cè)試的情況下對(duì)人體組織進(jìn)行復(fù)雜研究。理論上，任何人都可以捐獻(xiàn)一定數(shù)量的細(xì)胞，然后科學(xué)家可以對(duì)這些細(xì)胞重新編程，產(chǎn)生一個(gè)微型球狀大腦。

“這項(xiàng)研究將為我們研究和理解大腦的方式提供一個(gè)新前沿?！痹撗芯柯?lián)合作者、西北大學(xué)的Colin Franz說(shuō)，“我們將能夠?qū)纳窠?jīng)損傷恢復(fù)或與神經(jīng)退行性疾病作斗爭(zhēng)的患者進(jìn)行更有針對(duì)性的研究。”

研究人員表示，目前用于組織培養(yǎng)的電極陣列是二維的，無(wú)法與自然界中常見(jiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)相匹配，而且將多種材料整合到一個(gè)小型3D結(jié)構(gòu)中也是極具挑戰(zhàn)性的。

“現(xiàn)在，有了小而軟的3D電子設(shè)備，我們終于制造出能模仿人體中復(fù)雜生物形狀的設(shè)備?！痹撗芯控?fù)責(zé)人、西北大學(xué)的John Rogers說(shuō)。

下一步，科學(xué)家將使用這些設(shè)備更好地了解神經(jīng)疾病，測(cè)試具有臨床潛力的藥物和療法，并比較不同的患者來(lái)源的細(xì)胞模型。這些將有助于更好地把握個(gè)體差異，解釋神經(jīng)康復(fù)結(jié)果的巨大差異。

相關(guān)論文信息：http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.abf9153



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