微型生物电子机器有望解开大脑的奥秘

用于皮质球体和工程组装体的三维多功能神经接口。

由西北大学，Shirley Ryan AbilityLab和伊利诺伊大学芝加哥（UIC）的研究人员领导的一组科学家，开发出了新颖的技术，有望增进人们对大脑发育的理解，并为神经外伤后修复大脑提供答案和神经退行性疾病。

他们的研究是第一个将最复杂的3-D生物电子系统与高度先进的3-D人类神经文化相结合的研究。目的是能够进行精确的人脑回路如何在体外发育和修复的研究。这项研究是3月19日出版的《科学进展》的封面故事。

该研究中使用的皮质球状体类似于“小脑”，源自人类诱导的多能干细胞。利用该团队开发的3-D神经接口系统，科学家们能够创建一个专门用于研究微型大脑并同时收集不同类型数据的“盘中微型实验室”。科学家并入电极以记录电活动。他们添加了微小的加热元件，以保持大脑的文化温暖，或者在某些情况下，有意使文化过度加热以使其紧张。他们还采用了微小的探针（例如氧气传感器和小型LED灯）来进行光遗传学实验。例如，他们将基因导入细胞，使它们能够使用不同颜色的光脉冲来控制神经活动。

然后，该平台使科学家能够对人体组织进行复杂的研究，而无需直接涉及人体或进行侵入性测试。从理论上讲，任何人都可以捐献有限数量的细胞（例如，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，以产生一个与人的遗传特性相同的微小大脑球体。作者相信，通过将此技术与使用人类干细胞衍生的脑培养物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干预措施。

“这项研究所激发的进步将为我们学习和理解大脑的方式提供一个新的领域，” Shirley Ryan AbilityLab的首席合著者Colin Franz博士说，他是皮层球体测试的主要负责人。“现在已经开发并验证了3-D平台，我们将能够对从神经损伤或与神经退行性疾病作斗争中康复的患者进行更具针对性的研究。”

西北大学博士后研究员，共同首席作者Yoonseok Park补充说：“这仅仅是一类全新的微型3D生物电子系统的开端，我们可以构建该类微型化3D生物电子系统以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的神经回路以及不断变化的组织（如跳动的心脏）的形成。”

用于组织培养的当前电极阵列是二维的，扁平的，无法匹配在整个自然界中发现的复杂结构设计，例如在人脑中发现的那些。而且，即使系统是3-D的，将不止一种类型的材料结合到小型3-D结构中也极具挑战性。然而，随着这一进步，针对再生医学领域的整个一类3D生物电子设备已经量身定制。

美国西北航空的约翰·罗杰斯（John Rogers）表示：“现在，借助我们小型的软3D电子设备，最终有可能制造出模仿人体中复杂生物形状的设备，从而提供对文化的更全面的了解。”通过与电话和计算机类似的技术领导了技术开发。“我们不再需要为了获得与我们的生物学接口的最佳形式而牺牲功能。”

下一步，科学家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。然后，这种理解将可以更好地掌握个体差异，这可能是神经康复中所见到的结果差异很大的原因。

Franz博士实验室的研究助理Kristen Cotton表示：“作为科学家，我们的目标是使实验室研究与临床尽可能相关。“这个3-D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，这是从未有过的。”

参考：Yoonseok Park，Colin K.Franz，Hanjun Ryu，栾海文，Kristen Y.Cotton，Jong Uk Kim，Ted S.Chung，赵世伟，Abraham Vazquez-瓜达多，杨达Da，李侃，罗德·阿维拉，杰克·菲利普斯，玛丽亚·奎萨达，霍京张，宋秀国，桑民元，景庆权，郑孝容，阿美·班卓卡，韩梦迪，赵杭波，加布里埃尔·奥瑟（Gabrielle R.
10.1126 / sciadv.abf9153

这项工作得到了美国国立卫生研究院的研究项目资助（R01）的支持，该赠款由西北航空的John Rogers和黄永刚，Shirley Ryan AbilityLab的Dr. Colin Franz和UIC的John Finan分享。贝尔·卡内尔（Belle Carnell）家族慷慨的慈善礼物也支持了该基金会，该基金会在弗朗兹（Franz）博士的实验室建立了精密医学再生神经康复基金。