發(fā)布日期：2018-01-11
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）研究工程師Dave Soscia正在顯微鏡下檢查“大腦芯片”設(shè)備。這款設(shè)備是LLNL的iCHIP（in-vitro Chip-based Human Investigational Platform）項目的一部分，通過記錄沉積和生長到微電極陣列上的多種腦細胞類型的神經(jīng)活動來模擬中樞神經(jīng)系統(tǒng)。圖片來源：LLNL
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家和工程師們開發(fā)了一種“大腦芯片”設(shè)備，旨在測試和預測化學和生物試劑、疾病或者藥物對大腦造成的影響。
這種設(shè)備是實驗室iCHIP項目的一部分，通過記錄沉積和生長到微電極陣列上的多種腦細胞類型的神經(jīng)活動來模擬中樞神經(jīng)系統(tǒng)。研究發(fā)表在一月的《PLOS One》上，這個項目可以幫助科學家理解大腦細胞是如何彼此連接和交互的、抗擊大腦障礙、確定士兵如何受到化學和生物武器的影響，并開發(fā)解毒劑來抵消這些影響。
“雖然，我們還距離完全重新認識身體之外的大腦還很遙遠，這是提升設(shè)備復雜性并朝著正確方向前行的重要一步，”研究的共同作者來自LLNL的研究工程師Dave Soscia說。“我們會逐步達到可以足夠自信，這樣的設(shè)備中所觀測到的化學物質(zhì)和藥物在平臺環(huán)境中的影響，會與在人體中觀察到的結(jié)果相似。”
為了重建大腦的結(jié)構(gòu)，研究人員將芯片分成了4個不同的區(qū)域，三個亞區(qū)域以及一個代表大腦皮層的外部區(qū)域。研究人員將原代海馬細胞和皮層細胞培養(yǎng)在電極上，位置是基于他們在大腦中的相對位置來設(shè)定的，使用定制的插片，之后可以在細胞放置在設(shè)備中之后移除，以允許在不同區(qū)域之間的細胞自由通訊。團隊監(jiān)測到了細胞的潛在行動模式——細胞突觸間通訊時的放電——并觀察到了隨著時間的推移細胞如何相互作用。研究人員也成功地完成了有四種細胞插入的測試，來證明多種細胞類型可以同時使用。
科學家表示，這個平臺允許他們研究大腦不同區(qū)域間的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，并及時地在沒有動物或人類參與實驗的情況下獲取人類相關(guān)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以用于更好的預測人類對于應(yīng)對措施、病毒或者藥物的響應(yīng)，可以幫助科學家確認特定類型的神經(jīng)細胞是否對暴露具有易感性。
“這允許我們可以接下來用平臺測試化學試劑是如何對大腦產(chǎn)生影響的，”iCHIP主要調(diào)查員Elizabeth Wheeler表示，“很明顯地，我們知道在高劑量下，暴露是有害的，但是想一想戰(zhàn)士們會長時間暴露在低水平的化學物質(zhì)條件里。在未來，使用這個設(shè)備我們也許可以預測在哪種情況下大腦是如何受到影響的。如果我們明白它是如何發(fā)生的，這樣我們就可以開發(fā)相應(yīng)的對策來保護他們。”
LLNL的研究人員Heather Enright（左）和AnnaBelle（右）展示著大腦芯片設(shè)備以及微電極陣列。圖片來源：LLNL
研究人員表示，這項技術(shù)還允許他們觀察不同類型的細胞在結(jié)合時、距離很近時是如何進行細胞通訊的。細胞沉積是通過微制造的、漏斗樣的插片進行的，這種設(shè)計允許插片可以適用于任何類型的細胞和芯片平臺，因為這不需要通過各種化學物質(zhì)對芯片表面進行特異化以使得細胞可以吸附在上面。這一系統(tǒng)，Soscia表示，使得研究人員可以很容易的從“宏觀世界到圍觀世界，”而且相比于從前，這種方法可以在更小的區(qū)域內(nèi)沉積更多的細胞類型。
“這對于我們是非常重要的，我們沒有物理障礙，因此細胞可以程序化的生長進行相互作用和通訊，” Soscia表示，“在這里，你插入一個插片，然后將細胞通過插片頂部打入，使得細胞精確地沉積在電極陣列的特定區(qū)域。然后，由于它被移除，細胞粘附但是失去了支撐，這使得它們可以自由生長并與其它區(qū)域通訊。”
為了這一概念驗證研究，科學家們分析了嚙齒動物細胞的電活動長達30天，細胞顯示了文獻中描述的模擬生理反應(yīng)的特征和改變?；趯嶒?，他們預測大腦細胞在芯片上可以更長時間的保有功能性，長達數(shù)月。研究人員比較了海馬體與皮質(zhì)神經(jīng)元在單一培養(yǎng)和共同培養(yǎng)中的差異。研究顯示，與皮質(zhì)細胞一起培養(yǎng)時，海馬體細胞的某些特征，如爆發(fā)時所發(fā)現(xiàn)的動作電位峰值的百分比，都顯著升高。
LLNL生物學家Kris Kulp說:“我們發(fā)現(xiàn)，即使有皮質(zhì)神經(jīng)元存在，海馬神經(jīng)元仍然看起來像海馬神經(jīng)元，但它們確實根據(jù)不同的’鄰居’改變了它們的某些特征。它們保留了的識別特征，但它們的通訊方式略有不同。”
Kulp說，研究人員可以通過大腦-芯片的平臺，分析疾病在大腦中的傳播方式、癲癇模型，或者有望檢測化學或生物暴露在幾個月的時間里的影響。
“你可以模擬某些人像在戰(zhàn)場上一樣有一個短時間的暴露在有害環(huán)境中，然后在之后的六個月中對神經(jīng)元進行監(jiān)測，看看會發(fā)生什么，” Kulp表示，“也許它們從最初的接觸中恢復過來，但六個月后，它們?nèi)匀粫幸恍p傷。這是唯一一種允許對人體細胞進行這種實驗的系統(tǒng)。”
這項研究仍在繼續(xù)，作為一項以大腦為重點的戰(zhàn)略計劃的一部分，LLNL生物學家Nick Fischer擔任首席研究員。該計劃將大腦和血腦屏障芯片的平臺結(jié)合起來進行應(yīng)用科學研究。研究人員說，下一步是將大腦芯片設(shè)備擴展到三維，并對迄今收集到的數(shù)據(jù)進行排序，以確定其與體內(nèi)數(shù)據(jù)的相關(guān)性。
研究人員表示，“既然我們已經(jīng)證明了設(shè)備的功能，并模仿了大腦的某些特征，我們就需要與計算機科學家、統(tǒng)計人員和數(shù)據(jù)建模師更緊密地合作，全面分析數(shù)據(jù)。從一個想法到一個平臺生成數(shù)據(jù)，現(xiàn)在使用這些數(shù)據(jù)來告知預測生物學模型，這是一件激動人心的事情。”
參考資料
[1] 'Brain-on-a-chip' tests effects ofbiological and chemical agents, develop countermeasures
來源：康健新視野（微信號 HealthHorizon）
