微型生物电子机器有望揭开大脑发育过程神秘面纱

由西北大学、雪莉·瑞恩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个科学家团队开发出的新技术，有望增加对大脑如何发育的理解，并为修复神经创伤和神经退行性疾病后的大脑提供答案。他们的研究是第一个将最复杂的三维生物电子系统与高度先进的三维人类神经培养相结合的研究。其目标是实现对人类大脑电路如何在体外发展和自我修复的精确研究。

该研究也是3月19日出版的《科学进展》杂志的封面故事。

该研究中使用的皮质球体，类似于 "迷你大脑"，来自人类诱导的多能干细胞。利用团队开发的3-D神经接口系统，科学家们能够创建一个专门为研究迷你大脑量身定做的 "盘中迷你实验室"，并同时收集不同类型的数据。科学家们加入了电极来记录电活动。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给它们施加压力。他们还加入了微小的探针--如氧气传感器和小型LED灯--来进行光遗传学实验。例如，他们将基因引入细胞中，使其能够使用不同颜色的光脉冲控制神经活动。

这个平台可以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，以产生一个微小的大脑球体，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物的个性化医学方法相结合，他们将能够更快地收集洞察力，并产生更好的新型干预措施。

"这项研究推动的进展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Colin Franz博士说，他是该论文的共同主要作者，领导了皮质球体的测试。"现在，三维平台已经被开发和验证，我们将能够对神经损伤恢复或与神经退行性疾病作斗争的患者进行更有针对性的研究。"

西北大学博士后研究员、共同第一作者Yoonseok Park补充道："这只是一类全新的小型化、三维生物电子系统的开始，我们可以构建这类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从大脑到肌肉的更复杂的神经回路，以及像跳动的心脏这样越来越动态的组织。"

目前用于组织培养的电极阵列是2D平面的，无法与整个自然界中复杂的结构设计相匹配，例如在人类大脑中发现的电极阵列。此外，即使系统是3-D的，也要将一种以上的材料纳入一个小的3D结构中，这是非常具有挑战性的。然而，随着这一进展，一整类3D生物电子器件已经为再生医学领域量身定做。

"现在，有了我们的小型、柔软的3D电子器件，终于有能力构建模仿人体中复杂的生物形状的设备，提供更全面的理解，"西北大学的约翰-罗杰斯说，他领导了使用类似于电话和计算机中的技术的技术开发。"我们不再需要牺牲功能来实现与我们的生物学接口的最佳形式。"

下一步，科学家将利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，并比较不同的患者衍生细胞模型。然后，这种理解将使我们能够更好地掌握个体差异，这些差异可能是神经系统康复中所看到的结果的巨大差异的原因。

"作为科学家，我们的目标是使实验室研究尽可能地与临床相关，"Franz博士实验室的研究助理Kristen Cotton说。"这个三维平台为再生神经康复医学的新实验、新发现和科学进步打开了一扇门，而这些都是以前从未实现过的。"