“芯片大腦”技術(shù)成熟，可模擬藥物對大腦影響

目前研究人員正在改進并完善“芯片大腦”技術(shù)。科學(xué)家們認(rèn)為，隨著這種技術(shù)的成熟，未來或?qū)⒖梢圆辉僖蛟S多神經(jīng)系統(tǒng)疾病進行動物甚至人體臨床試驗。

1月16日消息，據(jù) 報道，目前研究人員正在改進并完善“芯片大腦”技術(shù)?？茖W(xué)家們認(rèn)為，隨著這種技術(shù)的成熟，未來或?qū)⒖梢圆辉僖蛟S多神經(jīng)系統(tǒng)疾病進行動物甚至人體臨床試驗。

圖示：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員戴夫索西亞（Dave Soscia）正在顯微鏡下檢查“芯片大腦”設(shè)備

據(jù)悉，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出“芯片大腦”技術(shù)的新用途：測試生物和化學(xué)制劑隨著時間的推移對大腦的影響。其研究成果于2017年11月在PLoS One期刊上發(fā)表。這項研究是一個致力于開發(fā)“芯片大腦”技術(shù)的研究機構(gòu)的重要工作，研究人員希望通過這項研究，在未來某一天不再對動物進行神經(jīng)類疾病的相關(guān)實驗。

所謂“芯片大腦”技術(shù)在本質(zhì)上說是研究人員將半導(dǎo)體晶圓用納米導(dǎo)線打造的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)腦細胞被引入芯片后，他們可以使用納米線作為支架來構(gòu)建功能性神經(jīng)元回路，模擬大腦中神經(jīng)元的相互連接。一旦構(gòu)建模擬的腦回路，研究人員不僅可以觀察到神經(jīng)連通性，還可以研究疾病和創(chuàng)傷對其造成的影響。

2017年1月，哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員率先在研究中使用了這種“芯片大腦”設(shè)備。這種芯片設(shè)備能夠使研究人員根據(jù)大腦中神經(jīng)元位置的不同以及不同神經(jīng)元之間的連接方式來識別神經(jīng)元之間的差異性，特別是對精神分裂癥等疾病在神經(jīng)學(xué)基礎(chǔ)層面進行研究分析。澳大利亞國立大學(xué)的研究人員后來改進了納米導(dǎo)線的架構(gòu)，開發(fā)出有史以來第一個能夠運行的神經(jīng)元電路。

而來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的最新應(yīng)用研究則發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)可用于研究生物和化學(xué)制劑對大腦的長期影響。目前研究小組主要關(guān)注軍事人員可能會經(jīng)受的化學(xué)暴露。由于創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙的普遍性，軍事人員已經(jīng)成為神經(jīng)學(xué)研究最感興趣的患者人群。

在他們的研究中，研究人員專注于使用他們的“芯片大腦”來研究腦細胞是如何受到大量化學(xué)制劑的影響，以及這些制劑是如何隨著時間的推移而改變大腦的研究。希望通過更深入地了解現(xiàn)有機制，可以開發(fā)出相應(yīng)的解毒劑，對患者進行治療或預(yù)防，并在現(xiàn)實中保護軍事人員等群體。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室團隊所使用的“芯片大腦”設(shè)備定制了特定的插入件，使得它們能夠?qū)Υ竽X的不同區(qū)域進行建模，根據(jù)需要以研究相應(yīng)區(qū)域的互連性。這也讓研究人員可以將多個不同類型的神經(jīng)元細胞都放置在比以往任何時候都小得多的區(qū)域，從而在“宏觀世界到微觀世界”之間實現(xiàn)輕松轉(zhuǎn)換。

通過這種設(shè)備，研究團隊能夠監(jiān)控腦細胞在交流時所發(fā)生的爆發(fā)（稱為“動作電位模式”），并讓他們了解這種相互聯(lián)系隨著時間的推移如何發(fā)生變化，特別是當(dāng)大腦暴露于如化學(xué)試劑等情況下會如何反應(yīng)。

iCHIP首席研究員伊麗莎白·惠勒（Elizabeth Wheeler）在LLNL的新聞稿中解釋說：“顯然，在高劑量下，我們知道暴露將是有害的，但是那些長時間暴露于低水平化學(xué)品的戰(zhàn)士會如何尚不清楚。將來使用這種設(shè)備，我們可能能夠預(yù)測大腦將如何受到影響。如果我們明白它的影響，那么我們就可以制定出保護戰(zhàn)士的對策。“

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室工程師，論文聯(lián)合作者之一的戴夫索西亞（Dave Soscia）說：“雖然我們離完全重新認(rèn)識體外大腦尚有不少差距，但相關(guān)研究在增加這些設(shè)備的復(fù)雜性并朝著正確的方向邁出了重要一步。我們的想法是最終讓人們對這些設(shè)備產(chǎn)生足夠的信心，讓化學(xué)藥品或藥物進入平臺環(huán)境所觀察到的效果與我們在人體內(nèi)看到的結(jié)果相似。”

生物學(xué)家克里斯庫普（Kris Kulp）進一步解釋說：“你可以模擬某人在戰(zhàn)場上短暫暴露于化學(xué)制劑，然后在六個月內(nèi)觀察相應(yīng)神經(jīng)元會發(fā)生何種變化。也許他們會從最初的暴露中恢復(fù)過來，但是從現(xiàn)在起的六個月后，仍然會產(chǎn)生一些不良影響。這是唯一一種可以對人類細胞進行這種實驗的系統(tǒng)。“

下一步的開發(fā)計劃是研究團隊將與計算機科學(xué)家，統(tǒng)計人員和其他人員建立合作，幫助他們分析和模擬該設(shè)備所提供的實驗數(shù)據(jù)。