勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室 (LLNL)的工程師和生物學家開發(fā)了一種“芯片上的大腦”設備，該設備可以在三個維度上記錄活腦細胞培養(yǎng)物的神經(jīng)活動，這是對人腦外部現(xiàn)實建模的重大進步的身體。
LLNL研究人員在芯片實驗室雜志上發(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能夠使成千上萬的人類神經(jīng)元以3D形式存活，聯(lián)網(wǎng)和交流。凝膠，同時使用LLNL開發(fā)的薄膜微電極陣列無創(chuàng)地記錄其電尖峰和爆發(fā)長達45天。
研究人員說，從這種設備中獲得的知識可以為科學研究人員提供科學依據(jù)，幫助他們開發(fā)對付暴露于化學或生物制劑的戰(zhàn)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(xiàn)藥物，而無需建立動物模型。
主要作者和LLNL表示：“數(shù)十年來，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)絡電活動的能力 對我們來說非常重要。”
LLNL的“芯片上大腦”方法在單個設備上合并了三組陣列，每個陣列中有80個電極分布在10個柔性聚合物探針上。該設計使研究人員可以一次運行三個獨立的實驗，并同時監(jiān)視來自不同位置的神經(jīng)活動。
Soscia說，實現(xiàn)3D非侵入性細胞記錄的關鍵是“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(yǎng)物中。
Soscia說：“這允許神經(jīng)元網(wǎng)絡更自然，有機地生長，然后我們可以捕獲這種活動。” “我們希望避免破壞神經(jīng)連接。”
培養(yǎng)大約兩周后，神經(jīng)元網(wǎng)絡生長并成熟，研究人員能夠以半小時為增量記錄3D設備中細胞的電生理活性，從而為每個孔創(chuàng)建一個唯一的電極位置圖，并產(chǎn)生高跨3D空間的網(wǎng)絡活動的高分辨率渲染。
生物學家和合著者多麗絲·林說：“在3D工程平臺上進行的每一天錄制都是令人振奮的壯舉，顯示出人類神經(jīng)元在我們類似組織的微環(huán)境中存活，生長和發(fā)育。”
研究人員說，轉(zhuǎn)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，科學家可以更全面地復制人腦的生理學和功能，以了解其功能以及化學物質(zhì)或其他刺激會影響它。
首席研究員尼克·菲舍爾(Nick Fischer)表示：“我認為這確實使我們能夠做一些 體外研究人員無法做到的事情，那就是在3D空間中如何組織這些網(wǎng)絡的功能映射。” “如果您僅記錄單個點或平面，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3D空間進行協(xié)調(diào)。我認為每個人都會對這種策略非常感興趣，因為它為獲取更多的長期，非侵入性的閱讀方法打開了大門。”
菲舍爾說，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(zhàn)略計劃，以擴展大腦芯片設備，重點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2D系統(tǒng)。
它將繼續(xù)LLNL 對iCHIP項目開發(fā)的構(gòu)成人體的基于芯片的體外設備復制系統(tǒng)的探索 ，包括心臟，中樞神經(jīng)系統(tǒng)(二維)，血腦屏障和外周神經(jīng)系統(tǒng)。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方面的多年發(fā)展。
惠勒說：“將我們的微電極陣列與基于芯片的組織系統(tǒng)相結(jié)合，使我們能夠直接測量和監(jiān)測細胞對疾病和治療方法的健康和功能，”惠勒說。
Soscia表示，盡管最大的挑戰(zhàn)是開發(fā)可垂直驅(qū)動或提升探針而不損壞探針的設備，但這種方法使用了現(xiàn)成的商用組件。Soscia說，整個3D片上腦片設備的設計目的是易于制造和再現(xiàn)，并利用常見的，公認的技術。此外，該設備還可以與現(xiàn)有的商業(yè)電生理記錄系統(tǒng)“即插即用”。LLNL已為該設備申請了專利，并希望與潛在的合作者合作以進一步開發(fā)該設備。
“這樣做的方法非常適應，因為如果將來我們希望使電極更小以真正磨練并吸收單個單元的活動，那么通過簡單的設計更改就可以很容易地做到這一點，”索西亞說。
研究小組表示，下一步是在相關的生物學或篩查系統(tǒng)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：“現(xiàn)在有了這個工具，我們就可以開發(fā)出更復雜的人腦實驗模型，以促進基礎生物學并加速治療方法的發(fā)展。”