新设备记录、感知和操纵“迷你大脑”

由美国西北大学、美国伊利诺伊大学芝加哥分校(University of Illinois at Chicago)雪莉·瑞恩能力实验室(Shirley Ryan AbilityLab)和伊利诺伊大学(University of Illinois at Chicago)的研究人员领导的一组科学家开发出了一种新技术，有望加深人们对大脑发育的理解，并为修复神经创伤和神经退行性疾病后的大脑提供答案。

他们的研究首次将最复杂的3D生物电子系统与高度先进的3D人体神经培养相结合。其目标是能够精确研究人类大脑回路在体外是如何发展和自我修复的。这项研究是3月19日出版的《科学》杂志的封面故事科学的进步。

研究中使用的皮质球体，类似于“迷你大脑”，是由人类诱导的多能干细胞。利用该团队开发的3D神经接口系统，科学家们能够创建一个专门为研究微型大脑并同时收集不同类型数据的“盘子里的迷你实验室”。科学家们使用电极来记录电活动。他们添加了微小的加热元件，以保持大脑培养物的温度，或者在某些情况下，故意使培养物过热以强调它们。他们还采用了诸如氧气传感器和小型LED灯之类的微型探测器来进行光遗传学实验。例如，他们将基因引入细胞，使它们能够使用不同颜色的光脉冲来控制神经活动。

这个平台使科学家能够在不直接涉及人体或进行侵入性测试的情况下对人体组织进行复杂的研究。理论上，任何人都可以捐献数量有限的细胞(如血液样本、皮肤活检)。然后，科学家可以对这些细胞进行重新编程，制造出一个微小的脑球体，与人的基因身份相同。作者认为，通过将这项技术与使用人类干细胞衍生的大脑培养的个性化医学方法相结合，他们将能够更快地收集见解，并产生更好的、新颖的干预措施。

“这项研究带来的进步将为我们研究和理解大脑的方式提供一个新的前沿，”Shirley Ryan AbilityLab的科林·弗朗茨博士说，他是论文的主要作者之一，领导了皮质球体的测试。“现在3D平台已经开发和验证，我们将能够对康复中的患者进行更有针对性的研究神经损伤或者对神经退行性疾病作战。“

美国西北大学博士后、共同首席作者Yoonseok Park补充说:“这只是一个全新的微型3D生物电子系统的开始，我们可以构建这种系统来扩大再生医学领域的能力。”例如，我们的下一代设备将支持形成更复杂的神经回路，从大脑到肌肉，以及越来越动态的组织，如跳动的心脏。”

组织培养物的电流阵列是2D，平坦，无法匹配整个自然界中发现的复杂结构设计，例如人类中的那些脑。此外，即使一个系统是3D的，将一种以上的材料整合到一个小的3D结构中也是极具挑战性的。然而，随着这一进步，整个3D生物电子设备已被定制为再生医学领域。

“现在，通过我们的小软3D电子产品，建立模仿的设备的能力最终可能为文化提供了更全面的理解，”曾引领的西北罗杰斯说技术开发使用技术类似于手机和计算机中的技术。“我们不再需要妥协功能来实现与我们的生物学接口的最佳形式。”

作为下一步，科学家们将使用该装置更好地了解具有临床电位的神经疾病，测试药物和治疗，并比较不同的患者衍生的细胞模型。这种理解将更好地掌握可能考虑在神经康复中所见的范围广泛变化的个人差异。

“作为科学家，我们的目标是使实验室研究如尽可能有关，”弗朗茨博士的实验室研究助理说。“这个3D平台打开了新实验的门，在再生神经晕染医学中的发现和科学进步，从未成为可能。”

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