我們都非常熟悉當(dāng)我們持續(xù)敲擊頭部時(shí)會(huì)發(fā)生什么：第一，聽得太可聽見的裂縫，可能伴隨著一時(shí)的驚喜。然后，腫脹，如果我們幸運(yùn)的話，只是輕微的撞擊或刮傷。但是當(dāng)我們撞到腦袋時(shí)，我們頭骨的另一邊會(huì)發(fā)生什么?如果我們的皮膚和肌肉受到撞擊，可以擦傷，刮傷和切割相對(duì)堅(jiān)硬的組織，那么構(gòu)成我們大腦的海綿狀凝膠狀物質(zhì)的細(xì)胞會(huì)發(fā)生什么?

這個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)在加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員Kimberly Turner，Megan Valentine，Adele Doyle和工業(yè)合作伙伴Owl Biomedical的腦海中，因?yàn)樗麄冋谡{(diào)查細(xì)胞水平 - 當(dāng)機(jī)械力施加到腦細(xì)胞時(shí)會(huì)發(fā)生什么。在國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的資助下，多學(xué)科團(tuán)隊(duì)將整合機(jī)械工程，生物物理學(xué)，神經(jīng)科學(xué)和生物工程，以獲得有關(guān)大腦對(duì)各種機(jī)械力的反應(yīng)的基本知識(shí)。該項(xiàng)目是通過(guò)推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)(BRAIN)倡議的聯(lián)邦腦研究的一部分。

“機(jī)械力已被證明可以對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生很大的影響，”專門研究微電子機(jī)械系統(tǒng)或微觀機(jī)器的特納說(shuō)。特別是細(xì)胞干細(xì)胞不僅不是孤立的生命單元，而是從它們的環(huán)境中獲取線索，例如，指導(dǎo)它們分化成一種細(xì)胞或另一種細(xì)胞，或開始愈合過(guò)程。

但是，理解個(gè)體神經(jīng)細(xì)胞對(duì)力的反應(yīng)的主要限制是無(wú)法可靠地對(duì)它們施加沖擊或壓力。

輸入μHammer(“microHammer”)，這是一種細(xì)胞級(jí)機(jī)器，用于敲擊，敲擊，擠壓和戳動(dòng)個(gè)體神經(jīng)祖細(xì)胞(以及后來(lái)的神經(jīng)元和神經(jīng)組織)以引發(fā)反應(yīng)，然后進(jìn)行研究和記錄，以增加身體知識(shí)可以幫助解開大腦的奧秘。

顧名思義，這是一臺(tái)小機(jī)器。事實(shí)上，它是世界上最小的錘子。模擬由Owl Biomedical開發(fā)的細(xì)胞分選技術(shù)(通常用于醫(yī)學(xué)診斷和免疫療法)，μHammer使單個(gè)細(xì)胞流過(guò)并使其中的每一個(gè)受到各種物理力之一的影響。

“這個(gè)項(xiàng)目將能夠精確測(cè)量細(xì)胞受到機(jī)械載荷時(shí)發(fā)生的物理，化學(xué)和生物變化，從小擾動(dòng)到高強(qiáng)度，高速撞擊，”瓦倫丁說(shuō)，他的實(shí)驗(yàn)室研究力如何影響生活材料。“我們的技術(shù)將提供比以前更高的力和更快的沖擊周期，通過(guò)在微流體設(shè)備上構(gòu)建這些工具，我們可以利用許多其他片上診斷和成像工具，并可以在測(cè)試后收集細(xì)胞長(zhǎng)期研究。“瓦倫丁補(bǔ)充說(shuō)，通過(guò)新的設(shè)備和方法，研究人員希望從創(chuàng)傷中獲得腦損傷的原因和進(jìn)展的基本新見解。

μHammer目前正在進(jìn)行表征過(guò)程，因此可以測(cè)量和記錄它可以應(yīng)用的力的類型和大小，以預(yù)期第一組神經(jīng)元粉碎實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)獲得的知識(shí)可以為更好地理解阿爾茨海默病以及創(chuàng)傷性腦損傷等神經(jīng)疾病鋪平道路，這是一種目前無(wú)法治愈且常常是陰險(xiǎn)的疾病，影響到每個(gè)人，從士兵到接觸運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員，到任何人發(fā)生了意外。它還可以通過(guò)闡明例如哪種類型的力最大程度地影響神經(jīng)細(xì)胞來(lái)更好地預(yù)防這種損傷，因此可以設(shè)計(jì)頭盔以緩沖它們。

此外，根據(jù)瓦倫丁的說(shuō)法，為該項(xiàng)目開發(fā)的工具將在腦細(xì)胞研究之外具有廣泛的應(yīng)用，并幫助研究人員深入了解力如何影響其他細(xì)胞和組織類型。

“我們的研究可以改變我們對(duì)細(xì)胞如何處理和響應(yīng)基于力的信號(hào)的理解，”她說(shuō)。“這些信號(hào)在健康組織的發(fā)育和傷口愈合中是必不可少的，并且在諸如癌癥的疾病中被錯(cuò)誤調(diào)節(jié)。”