勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗室 (LLNL)的工程師和生物學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種“芯片上的大腦”設備，該設備可以在三個(gè)維度上記錄活腦細胞培養物的神經(jīng)活動(dòng)，這是對人腦外部現實(shí)建模的重大進(jìn)步的身體。
LLNL研究人員在芯片實(shí)驗室雜志上發(fā)表的一篇論文中 報告了3D微電極陣列(3DMEA)平臺的創(chuàng )建，該平臺使3DMEA能夠使成千上萬(wàn)的人類(lèi)神經(jīng)元以3D形式存活，聯(lián)網(wǎng)和交流。凝膠，同時(shí)使用LLNL開(kāi)發(fā)的薄膜微電極陣列無(wú)創(chuàng )地記錄其電尖峰和爆發(fā)長(cháng)達45天。
研究人員說(shuō)，從這種設備中獲得的知識可以為科學(xué)研究人員提供科學(xué)依據，幫助他們開(kāi)發(fā)對付暴露于化學(xué)或生物制劑的戰斗人員的對策，為疾病或感染建模，評估環(huán)境毒素或幫助發(fā)現藥物，而無(wú)需建立動(dòng)物模型。
主要作者和LLNL表示：“數十年來(lái)，二維陣列已經(jīng)在幫助人們理解大腦和篩選化合物的功能方面確實(shí)發(fā)揮了作用，但是其中很多平臺都缺乏測量3D體積的能力。”工程師Dave Soscia。“大腦當然是3D器官，因此在3D 體外 體積中捕獲網(wǎng)絡(luò )電活動(dòng)的能力 對我們來(lái)說(shuō)非常重要。”
LLNL的“芯片上大腦”方法在單個(gè)設備上合并了三組陣列，每個(gè)陣列中有80個(gè)電極分布在10個(gè)柔性聚合物探針上。該設計使研究人員可以一次運行三個(gè)獨立的實(shí)驗，并同時(shí)監視來(lái)自不同位置的神經(jīng)活動(dòng)。
Soscia說(shuō)，實(shí)現3D非侵入性細胞記錄的關(guān)鍵是“激活”柔性探針，在添加任何含細胞凝膠之前，將其從其平面上抬起90度角。該方法不同于以前的3D嘗試，后者涉及將探針或電極插入已經(jīng)建立并聚合的神經(jīng)元培養物中。
Soscia說(shuō)：“這允許神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )更自然，有機地生長(cháng)，然后我們可以捕獲這種活動(dòng)。” “我們希望避免破壞神經(jīng)連接。”
培養大約兩周后，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )生長(cháng)并成熟，研究人員能夠以半小時(shí)為增量記錄3D設備中細胞的電生理活性，從而為每個(gè)孔創(chuàng )建一個(gè)唯一的電極位置圖，并產(chǎn)生高跨3D空間的網(wǎng)絡(luò )活動(dòng)的高分辨率渲染。
生物學(xué)家和合著(zhù)者多麗絲·林說(shuō)：“在3D工程平臺上進(jìn)行的每一天錄制都是令人振奮的壯舉，顯示出人類(lèi)神經(jīng)元在我們類(lèi)似組織的微環(huán)境中存活，生長(cháng)和發(fā)育。”
研究人員說(shuō)，轉向3D文化模型是超越2D芯片上腦平臺的重要一步，因為在3D模式下，科學(xué)家可以更全面地復制人腦的生理學(xué)和功能，以了解其功能以及化學(xué)物質(zhì)或其他刺激會(huì )影響它。
首席研究員尼克·菲舍爾(Nick Fischer)表示：“我認為這確實(shí)使我們能夠做一些 體外研究人員無(wú)法做到的事情，那就是在3D空間中如何組織這些網(wǎng)絡(luò )的功能映射。” “如果您僅記錄單個(gè)點(diǎn)或平面，那就是該3D空間中的快照。但是在這里，我們具有更高的分辨率，因為我們有更多的電極通過(guò)3D空間進(jìn)行協(xié)調。我認為每個(gè)人都會(huì )對這種策略非常感興趣，因為它為獲取更多的長(cháng)期，非侵入性的閱讀方法打開(kāi)了大門(mén)。”
菲舍爾說(shuō)，這項工作源于菲舍爾和LLNL工程師伊麗莎白·惠勒(Elizabeth Wheeler)牽頭的LLNL戰略計劃，以擴展大腦芯片設備，重點(diǎn)是以與當前可用的保真度，分辨率和容量相同的3D模式記錄腦部文化活動(dòng)2D系統。
它將繼續LLNL 對iCHIP項目開(kāi)發(fā)的構成人體的基于芯片的體外設備復制系統的探索 ，包括心臟，中樞神經(jīng)系統(二維)，血腦屏障和外周神經(jīng)系統。它還利用LLNL在為可植入且生物相容的柔性薄膜微電極陣列建立的微細加工技術(shù)方面的多年發(fā)展。
惠勒說(shuō)：“將我們的微電極陣列與基于芯片的組織系統相結合，使我們能夠直接測量和監測細胞對疾病和治療方法的健康和功能，”惠勒說(shuō)。
Soscia表示，盡管最大的挑戰是開(kāi)發(fā)可垂直驅動(dòng)或提升探針而不損壞探針的設備，但這種方法使用了現成的商用組件。Soscia說(shuō)，整個(gè)3D片上腦片設備的設計目的是易于制造和再現，并利用常見(jiàn)的，公認的技術(shù)。此外，該設備還可以與現有的商業(yè)電生理記錄系統“即插即用”。LLNL已為該設備申請了專(zhuān)利，并希望與潛在的合作者合作以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該設備。
“這樣做的方法非常適應，因為如果將來(lái)我們希望使電極更小以真正磨練并吸收單個(gè)單元的活動(dòng)，那么通過(guò)簡(jiǎn)單的設計更改就可以很容易地做到這一點(diǎn)，”索西亞說(shuō)。
研究小組表示，下一步是在相關(guān)的生物學(xué)或篩查系統中測試該設備，以了解3D模型將提供哪些其他信息。
菲舍爾說(shuō)：“現在有了這個(gè)工具，我們就可以開(kāi)發(fā)出更復雜的人腦實(shí)驗模型，以促進(jìn)基礎生物學(xué)并加速治療方法的發(fā)展。”