伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究人員已經(jīng)成功地利用干細(xì)胞來(lái)工程化活的生物雜交神經(jīng)組織，以開(kāi)發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的3-D模型，希望能夠更好地了解大腦和這些網(wǎng)絡(luò)的工作原理。

第一作者Gelson Pagan-Diaz-Diaz將產(chǎn)生的組織比喻為計(jì)算機(jī)處理單元，該單元為當(dāng)今的超級(jí)計(jì)算機(jī)提供了基本原理。Pagan-Diaz是Grainger工學(xué)院生物工程系Rashid Bashir教授小組的研究生。巴希爾還是學(xué)院院長(zhǎng)。“能夠形成由神經(jīng)元組成的三維組織可以使我們有能力開(kāi)發(fā)用于藥物篩選或生物計(jì)算機(jī)處理單元的組織模型，” Pagan-Diaz說(shuō)。

在實(shí)際的人中學(xué)習(xí)大腦具有挑戰(zhàn)性，但是能夠使用體外3D模型了解這些網(wǎng)絡(luò)如何發(fā)展，有望為研究人員提供一種新工具，以更好地了解其工作原理。這些模型將能夠幫助理解異常的形成方式，例如導(dǎo)致諸如阿爾茨海默氏病的疾病的原因。

該團(tuán)隊(duì)能夠?yàn)橛晒膺z傳學(xué)的神經(jīng)元組成的生物組織賦予3D幾何形狀，因此可以用藍(lán)光激活它們。這些組織可用于研究大腦中發(fā)生的復(fù)雜行為，以及這些組織如何與正在開(kāi)發(fā)的新藥物發(fā)生反應(yīng)。這也可能意味著將來(lái)不再依賴(lài)動(dòng)物來(lái)測(cè)試這些藥物。

巴希爾說(shuō)：“如果我們能夠控制這些神經(jīng)元之間的交流方式，如果我們能夠使用光遺傳學(xué)訓(xùn)練它們，如果我們能夠?qū)ζ溥M(jìn)行編程，那么我們就有可能用于執(zhí)行工程功能。” “將來(lái)，我們希望通過(guò)能夠設(shè)計(jì)這些神經(jīng)組織，我們可以開(kāi)始實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于大腦的生物處理單元和生物計(jì)算機(jī)。”

在這里，一個(gè)環(huán)形的神經(jīng)組織模擬物被安裝在一個(gè)圓柱形的玻璃棒上，圖像顯示了由于組織的幾何優(yōu)勢(shì)，在該基底上如何能夠形成致密的神經(jīng)延伸。圖片來(lái)源：伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校生物工程系

該項(xiàng)目由NSF科學(xué)技術(shù)中心EBICS(集成細(xì)胞系統(tǒng)的緊急行為)資助，并于本月在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上發(fā)表。它的靈感來(lái)自五年前在開(kāi)發(fā)功能性肌肉方面所做的工作，Bashir實(shí)驗(yàn)室的研究人員在那里開(kāi)發(fā)了可以在受到電或光刺激時(shí)能夠行走的生物機(jī)器人。

這項(xiàng)新工作由跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)完成，該團(tuán)隊(duì)由生物工程學(xué)的Pagan-Diaz，Bashir，Karla Ramos-Cruz，分子和細(xì)胞生物學(xué)學(xué)院的Richard Sam，電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)的Mikhail Kandel和Gabriel Popescu教授以及Onur Aydin組成。機(jī)械科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的Taher Saif教授。

在這項(xiàng)研究中，研究小組開(kāi)發(fā)了可以形成不同形狀的神經(jīng)組織模擬物。該團(tuán)隊(duì)使用水凝膠和纖維蛋白制造毫米到厘米級(jí)的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)沒(méi)有剛性的支架，可以模制成許多所需的形狀。

“它是一捆成百上千微米的細(xì)胞，其中包含許多具有類(lèi)似于體內(nèi)組織的基因組成的種群，” Pagan-Diaz解釋說(shuō)。“隨著我們繼續(xù)開(kāi)發(fā)這些生物制造方法，我們應(yīng)該能夠捕獲體內(nèi)發(fā)生的許多現(xiàn)象。一旦我們證明了這一點(diǎn)，我們將能夠模仿我們?cè)诖竽X中看到的形態(tài)。證明在人體外組織的組織類(lèi)似于在體內(nèi)的組織，那么我們就可以一次又一次地制造它們。”

除藥物測(cè)試外，該團(tuán)隊(duì)對(duì)能夠概括這些網(wǎng)絡(luò)可能發(fā)展學(xué)習(xí)和記憶的方式特別感興趣。

Pagan-Diaz強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“能夠在體外制造這些組織模擬物，使我們能夠詳細(xì)表征和研究其電活動(dòng)。” “由于3-D結(jié)構(gòu)和形狀的廣泛設(shè)計(jì)規(guī)則為您提供了更多的實(shí)驗(yàn)自由，并為神經(jīng)科學(xué)，醫(yī)學(xué)和工程應(yīng)用打開(kāi)了新的研究途徑。”