3D神经接口系统可以感知和操纵"微型脑"

脑机接口（BCI）技术在运动康复中表现出广泛的潜力，主要依靠神经可塑性来恢复运

皮质球体和工程装配体的三维多功能神经接口。来源:西北大学

由西北大学(Northwestern University)Shirley Ryan Ability Lab和伊利诺伊大学芝加哥分校(UIC)的研究团队，开发了一项新技术，该项技术有助于增加对大脑发育的理解，并为神经创伤和神经退行性疾病后的大脑修复提供了解决方案。

他们的研究属于首次将最复杂的3D生物电子系统与高度先进的3D人类神经相结合的研究。目的是精确研究人类大脑回路是如何在体外发育和自我修复的。这项研究于3月19日出版在《Science Advance》上。

该研究中使用的皮质球状体(corticalspheroids)类似于“迷你脑(mini-brains)”，是由人诱导的多能干细胞衍生而来的。利用该团队开发的3D神经接口系统，科学家们能够创建一个专门为研究微型大脑并同时收集不同类型的数据而专门设计的“微型实验室(mini laboratory in a dish)”。科学家们利用电极来记录电活动。他们添加了微小的加热元件来保持大脑培养物的温度，或者在某些情况下故意过热来给它们施加压力。他们还使用了一些微小的探测器——比如氧传感器和小型LED灯——来进行光遗传学实验。例如，他们在细胞中引入基因，使它们能够使用不同颜色的光脉冲来控制神经活动。

整个球体表面自发神经活动的3D时空映射。

3D MMF作为与神经球体的接口的示意图，FEA结果和光学显微照片

这个平台使科学家能够在不直接涉及人类或进行侵入性测试的情况下对人体组织进行复杂研究。理论上，任何人都可以捐献一定数量的细胞(如血液样本、皮肤活检)。然后，科学家们可以对这些细胞重新编程，产生一个与人的基因相同的微型球状大脑。作者相信，通过将这项技术与使用人类干细胞衍生的脑培养物的个性化医学方法相结合，他们将能够更快地收集数据，并产生更好的、新的干预措施。

Shirley Ryan Ability Lab 实验室的Colin Franz博士领导了皮质类球体的测试，Colin Franz博士表示：“这项研究所激发的进步将为我们研究和理解大脑的方式提供一个新的领域。现在已经开发并验证了3D平台，我们将能够对从神经损伤中恢复过来或与神经退行性疾病作斗争的患者进行更有针对性的研究。”

使用3D MMF从皮质球体进行多峰刺激和记录的结果

西北大学博士后研究员Yoonseok Park补充说：“这仅仅是一个全新的微型3D生物电子系统的开始，我们可以构建这种系统来扩大再生医学领域的能力。例如，我们的下一代设备将支持从大脑到肌肉甚至是更复杂的不断变化的动态组织(如跳动的心脏)神经回路的形成。”

目前用于组织培养的电极阵列是2D的，无法与自然界中常见的复杂结构设计相匹配，比如人脑中的结构设计。而且，即使系统是3D的，将多种材料合并到一个小型3D结构中也是非常具有挑战性的。现在有了这一进展，针对再生医学领域的整个类别的3D生物电子设备可以量身定制了。

研究人员表示：“现在，借助我们小型，柔软的3D电子设备，终于有可能制造出模仿人体中复杂生物形状的设备，从而可以对人体进行更全面的了解。我们不再必须为了获得与我们的生物学相结合的最佳形式而牺牲功能了。”

未来，科学家们将使用这些设备更好地了解神经疾病，测试具有临床潜力的药物和疗法，并比较不同的患者的细胞模型。这将有助于更好地把握个体差异，这些差异也许能解释神经康复结果的巨大差异。

参考信息

Three-dimensional, multifunctional neural interfaces for cortical spheroids and engineered assembloids

medicalxpress

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