近日,，《Nano Letter》發(fā)表了澳大利亞國立大學(xué)的一項(xiàng)研究成果，研究人員成功地在半導(dǎo)體芯片上培養(yǎng)出了有功能的腦神經(jīng)細(xì)胞回路,，制造出“芯片大腦”,。

該芯片布有納米線陣列，大鼠的腦神經(jīng)細(xì)胞能夠沿著納米線搭建的支架生長,，細(xì)胞與細(xì)胞之間通過神經(jīng)突觸互相連接,，形成了功能性神經(jīng)回路。

圖 | 納米線陣列上生長的神經(jīng)元和神經(jīng)軸突的掃描電鏡圖像

大腦處理感知覺信息和學(xué)習(xí)記憶,，依賴于神經(jīng)元構(gòu)成的神經(jīng)突觸網(wǎng)絡(luò),。腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)看似復(fù)雜，實(shí)則高度有序,。神經(jīng)細(xì)胞突觸網(wǎng)絡(luò)的形成,，依賴于細(xì)胞外的基質(zhì)環(huán)境，并且受到細(xì)胞骨架中的各種跨膜蛋白和機(jī)械敏感性離子通道的調(diào)節(jié),。

那么,，如何在體外構(gòu)建模型，模擬生物體內(nèi)腦神經(jīng)的活動呢,？首要的就是制造出合適的細(xì)胞培養(yǎng)材料,，讓腦神經(jīng)細(xì)胞在類似體內(nèi)的條件下生長。

然而,，常規(guī)的細(xì)胞體外培養(yǎng)材料大多為微米級別,，神經(jīng)細(xì)胞的生長形態(tài)受限，神經(jīng)元之間能夠形成的突觸連接也較少,，無法模擬三維大腦的真實(shí)發(fā)育情況,。因而，有必要改善神經(jīng)元體外生長的基質(zhì)環(huán)境,，使細(xì)胞無拘無束地伸展,、擴(kuò)增，使其機(jī)械感應(yīng)能力和空間感知能力更自然地發(fā)揮,。因此,，研究人員將培養(yǎng)材料縮為了納米級。

在這項(xiàng)最新的研究中,，研究人員開發(fā)出了新型人造基質(zhì)表面——納米線半導(dǎo)體芯片,，能夠很好地固定神經(jīng)元，引導(dǎo)神經(jīng)軸突生長，記錄神經(jīng)細(xì)胞膜內(nèi)外的生理活動,。而且,，半導(dǎo)體納米線通過與電子電路的整合,，在刺激和記錄細(xì)胞電生理活動方面有其不可取代的優(yōu)勢,。

這項(xiàng)研究首先證明了所用的納米線芯片沒有細(xì)胞毒性。不同神經(jīng)元的神經(jīng)突觸能夠沿著垂直排列的納米線支架向各個方向生長,，增加了神經(jīng)元之間形成突觸連接的可能,。通過進(jìn)一步檢測神經(jīng)細(xì)胞的功能，研究人員發(fā)現(xiàn)芯片上生長的神經(jīng)細(xì)胞具有同步的鈣離子活性,，表明了腦神經(jīng)回路能夠進(jìn)行信息通訊,。

圖 | 皮質(zhì)神經(jīng)元軸突或樹突的生長依賴納米線陣列的排布。虛線方塊表示納米線陣列區(qū)

該芯片提供了一個小型平臺,，可以用來研究腦神經(jīng)細(xì)胞的生長,、神經(jīng)細(xì)胞對外部環(huán)境刺激的反應(yīng)，以及細(xì)胞之間如何溝通等,。結(jié)合納米線優(yōu)異的光電性質(zhì),，該芯片也可用于感測和刺激大腦中神經(jīng)細(xì)胞的活動。

該項(xiàng)研究中使用的納米線陣列,，將為設(shè)計機(jī)器—組織界面的工程研究提供依據(jù),。利用這類納米線來操控神經(jīng)元生長，是再生醫(yī)學(xué)和組織工程中制造神經(jīng)假體的重要一步,，并最終達(dá)到修復(fù)腦損傷的目的,。

這項(xiàng)研究橫跨物理學(xué)、工程學(xué)和神經(jīng)科學(xué)多個學(xué)科,，開啟了納米材料技術(shù)和神經(jīng)科學(xué)緊密結(jié)合的研究模式,。

-End-

參考：

ViniGautam et al. Engineering HighlyInterconnected Neuronal Networks on Nanowire Scaffolds, Nano Letters (2017). DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05288 

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