新型设备记录、感知和操纵“迷你大脑”

由西北大学、雪莉·瑞安能力实验室和伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)的研究人员领导的一组科学家开发了一种新技术，有望增加对大脑发育的理解，并为神经创伤和神经退行性疾病后修复大脑提供答案。

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人类神经培养相结合。其目标是精确研究人类大脑回路在体外是如何发育和自我修复的。这项研究是3月19日《美国医学杂志》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”，来自于人类诱导多能干细胞。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“盘子里的迷你实验室”，专门用于研究迷你大脑，同时收集不同类型的数据。科学家们用电极记录电活动。他们添加了微小的加热元件来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使其受压。他们还加入了微型探针——比如氧气传感器和小型LED灯——来进行光遗传学实验。例如，他们在细胞中引入基因，使他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类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，任何人都可以捐献有限数量的细胞(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，以产生一个与人的基因身份相同的微小大脑球体。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疗方法相结合，他们将能够更快地收集见解，并产生更好、新颖的干预措施。

“这项研究所推动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，”雪莉·瑞安能力实验室的科林·弗朗茨博士说，他是该论文的联合第一作者，领导了皮质球状体的测试。“现在3D平台已经开发和验证，我们将能够对我们的患者进行更有针对性的研究神经系统损伤或者与神经退行性疾病作斗争。”

西北大学博士后、联合第一作者Yoonseok Park补充说:“这只是一个全新的小型化3D生物电子系统的开始，我们可以构建它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从大脑到肌肉的更复杂神经回路的形成，以及像跳动的心脏这样越来越有活力的组织。”

目前用于组织培养的电极阵列是二维的，平面的，无法与自然界中发现的复杂结构设计相匹配，例如在人体中发现的那些大脑。此外，即使系统是3D的，将多种类型的材料整合到一个小型3D结构中也是极具挑战性的。然而，随着这一进步，一整类3D生物电子设备已经为再生医学领域量身定制。

西北大学的约翰·罗杰斯(John Rogers)说:“现在，有了我们的小型软3D电子设备，我们终于有能力制造出模仿人体复杂生物形状的设备，从而更全面地了解一种文化。”他领导了这项技术开发，使用的技术类似于手机和电脑。“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。”

下一步，科学家们将使用这些设备更好地了解神经系统疾病，测试具有临床潜力的药物和疗法，并比较不同的患者来源的细胞模型。这种理解将使我们能够更好地掌握个体差异，这些差异可能解释神经康复中所见的结果的广泛差异。

“作为科学家，我们的目标是让实验室研究尽可能与临床相关，”弗朗茨博士实验室的研究助理克里斯汀·科顿(Kristen Cotton)说。“这个3D平台为再生神经康复医学的新实验、发现和科学进步打开了大门，这是前所未有的。”

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