中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2018年 9月26日-28日 | 上海世博展览馆

芯片上的大脑

2018-01-09

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)研究工程师Dave Soscia正在显微镜下检查“大脑芯片”设备。这款设备是LLNL的iCHIP(in-vitro Chip-Based Human Investigational Platform)项目的一部分,通过记录沉积和生长到微电极阵列上的多种脑细胞类型的神经活动来模拟中枢神经系统。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家和工程师们开发了一种“大脑芯片”设备,旨在测试和预测化学和生物试剂、疾病或者药物对大脑造成的影响。

这种设备是实验室iCHIP项目的一部分,通过记录沉积和生长到微电极阵列上的多种脑细胞类型的神经活动来模拟中枢神经系统。研究发表在一月的《PLOS One》上,这个项目可以帮助科学家理解大脑细胞是如何彼此连接和交互的、抗击大脑障碍、确定士兵如何受到化学和生物武器的影响,并开发解毒剂来抵消这些影响。

“虽然,我们还距离完全重新认识身体之外的大脑还很遥远,这是提升设备复杂性并朝着正确方向前行的重要一步,”研究的共同作者来自LLNL的研究工程师Dave Soscia说。“我们会逐步达到可以足够自信,这样的设备中所观测到的化学物质和药物在平台环境中的影响,会与在人体中观察到的结果相似。”

为了重建大脑的结构,研究人员将芯片分成了4个不同的区域,三个亚区域以及一个代表大脑皮层的外部区域。研究人员将原代海马细胞和皮层细胞培养在电极上,位置是基于他们在大脑中的相对位置来设定的,使用定制的插片,之后可以在细胞放置在设备中之后移除,以允许在不同区域之间的细胞自由通讯。团队监测到了细胞的潜在行动模式——细胞突触间通讯时的放电——并观察到了随着时间的推移细胞如何相互作用。研究人员也成功地完成了有四种细胞插入的测试,来证明多种细胞类型可以同时使用。

科学家表示,这个平台允许他们研究大脑不同区域间的网络构成,并及时地在没有动物或人类参与实验的情况下获取人类相关的数据。数据可以用于更好的预测人类对于应对措施、病毒或者药物的响应,可以帮助科学家确认特定类型的神经细胞是否对暴露具有易感性。

“这允许我们可以接下来用平台测试化学试剂是如何对大脑产生影响的,”iCHIP主要调查员Elizabeth Wheeler表示,“很明显地,我们知道在高剂量下,暴露是有害的,但是想一想战士们会长时间暴露在低水平的化学物质条件里。在未来,使用这个设备我们也许可以预测在哪种情况下大脑是如何受到影响的。如果我们明白它是如何发生的,这样我们就可以开发相应的对策来保护他们。”

 

 LLNL的研究人员Heather Enright(左)和AnnaBelle(右)展示着大脑芯片设备以及微电极阵列。

图片来源:LLNL

研究人员表示,这项技术还允许他们观察不同类型的细胞在结合时、距离很近时是如何进行细胞通讯的。细胞沉积是通过微制造的、漏斗样的插片进行的,这种设计允许插片可以适用于任何类型的细胞和芯片平台,因为这不需要通过各种化学物质对芯片表面进行特异化以使得细胞可以吸附在上面。这一系统,Soscia表示,使得研究人员可以很容易的从“宏观世界到围观世界,”而且相比于从前,这种方法可以在更小的区域内沉积更多的细胞类型。

“这对于我们是非常重要的,我们没有物理障碍,因此细胞可以程序化的生长进行相互作用和通讯,” Soscia表示,“在这里,你插入一个插片,然后将细胞通过插片顶部打入,使得细胞精确地沉积在电极阵列的特定区域。然后,由于它被移除,细胞粘附但是失去了支撑,这使得它们可以自由生长并与其它区域通讯。”

为了这一概念验证研究,科学家们分析了啮齿动物细胞的电活动长达30天,细胞显示了文献中描述的模拟生理反应的特征和改变。基于实验,他们预测大脑细胞在芯片上可以更长时间的保有功能性,长达数月。研究人员比较了海马体与皮质神经元在单一培养和共同培养中的差异。研究显示,与皮质细胞一起培养时,海马体细胞的某些特征,如爆发时所发现的动作电位峰值的百分比,都显著升高。

LLNL生物学家Kris Kulp说:“我们发现,即使有皮质神经元存在,海马神经元仍然看起来像海马神经元,但它们确实根据不同的’邻居’改变了它们的某些特征。它们保留了的识别特征,但它们的通讯方式略有不同。”

Kulp说,研究人员可以通过大脑-芯片的平台,分析疾病在大脑中的传播方式、癫痫模型,或者有望检测化学或生物暴露在几个月的时间里的影响。

“你可以模拟某些人像在战场上一样有一个短时间的暴露在有害环境中,然后在之后的六个月中对神经元进行监测,看看会发生什么,” Kulp表示,“也许它们从最初的接触中恢复过来,但六个月后,它们仍然会有一些损伤。这是唯一一种允许对人体细胞进行这种实验的系统。”

这项研究仍在继续,作为一项以大脑为重点的战略计划的一部分,LLNL生物学家Nick Fischer担任首席研究员。该计划将大脑和血脑屏障芯片的平台结合起来进行应用科学研究。研究人员说,下一步是将大脑芯片设备扩展到三维,并对迄今收集到的数据进行排序,以确定其与体内数据的相关性。

研究人员表示,“既然我们已经证明了设备的功能,并模仿了大脑的某些特征,我们就需要与计算机科学家、统计人员和数据建模师更紧密地合作,全面分析数据。从一个想法到一个平台生成数据,现在使用这些数据来告知预测生物学模型,这是一件激动人心的事情。”

来源:康健新视野