發(fā)布日期：2018-01-11
勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目的一部分，通過(guò)記錄沉積和生長(zhǎng)到微電極陣列上的多種腦細(xì)胞類型的神經(jīng)活動(dòng)來(lái)模擬中樞神經(jīng)系統(tǒng)。圖片來(lái)源：LLNL
勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和工程師們開(kāi)發(fā)了一種“大腦芯片”設(shè)備，旨在測(cè)試和預(yù)測(cè)化學(xué)和生物試劑、疾病或者藥物對(duì)大腦造成的影響。
這種設(shè)備是實(shí)驗(yàn)室iCHIP項(xiàng)目的一部分，通過(guò)記錄沉積和生長(zhǎng)到微電極陣列上的多種腦細(xì)胞類型的神經(jīng)活動(dòng)來(lái)模擬中樞神經(jīng)系統(tǒng)。研究發(fā)表在一月的《PLOS One》上，這個(gè)項(xiàng)目可以幫助科學(xué)家理解大腦細(xì)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(xué)和生物武器的影響，并開(kāi)發(fā)解毒劑來(lái)抵消這些影響。
“雖然，我們還距離完全重新認(rèn)識(shí)身體之外的大腦還很遙遠(yuǎn)，這是提升設(shè)備復(fù)雜性并朝著正確方向前行的重要一步，”研究的共同作者來(lái)自LLNL的研究工程師Dave Soscia說(shuō)。“我們會(huì)逐步達(dá)到可以足夠自信，這樣的設(shè)備中所觀測(cè)到的化學(xué)物質(zhì)和藥物在平臺(tái)環(huán)境中的影響，會(huì)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(gè)不同的區(qū)域，三個(gè)亞區(qū)域以及一個(gè)代表大腦皮層的外部區(qū)域。研究人員將原代海馬細(xì)胞和皮層細(xì)胞培養(yǎng)在電極上，位置是基于他們?cè)诖竽X中的相對(duì)位置來(lái)設(shè)定的，使用定制的插片，之后可以在細(xì)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(xì)胞自由通訊。團(tuán)隊(duì)監(jiān)測(cè)到了細(xì)胞的潛在行動(dòng)模式——細(xì)胞突觸間通訊時(shí)的放電——并觀察到了隨著時(shí)間的推移細(xì)胞如何相互作用。研究人員也成功地完成了有四種細(xì)胞插入的測(cè)試，來(lái)證明多種細(xì)胞類型可以同時(shí)使用。
科學(xué)家表示，這個(gè)平臺(tái)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(shí)地在沒(méi)有動(dòng)物或人類參與實(shí)驗(yàn)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(yù)測(cè)人類對(duì)于應(yīng)對(duì)措施、病毒或者藥物的響應(yīng)，可以幫助科學(xué)家確認(rèn)特定類型的神經(jīng)細(xì)胞是否對(duì)暴露具有易感性。
“這允許我們可以接下來(lái)用平臺(tái)測(cè)試化學(xué)試劑是如何對(duì)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(huì)長(zhǎng)時(shí)間暴露在低水平的化學(xué)物質(zhì)條件里。在未來(lái)，使用這個(gè)設(shè)備我們也許可以預(yù)測(cè)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(kāi)發(fā)相應(yīng)的對(duì)策來(lái)保護(hù)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(lái)源：LLNL
研究人員表示，這項(xiàng)技術(shù)還允許他們觀察不同類型的細(xì)胞在結(jié)合時(shí)、距離很近時(shí)是如何進(jìn)行細(xì)胞通訊的。細(xì)胞沉積是通過(guò)微制造的、漏斗樣的插片進(jìn)行的，這種設(shè)計(jì)允許插片可以適用于任何類型的細(xì)胞和芯片平臺(tái)，因?yàn)檫@不需要通過(guò)各種化學(xué)物質(zhì)對(duì)芯片表面進(jìn)行特異化以使得細(xì)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(xì)胞類型。
“這對(duì)于我們是非常重要的，我們沒(méi)有物理障礙，因此細(xì)胞可以程序化的生長(zhǎng)進(jìn)行相互作用和通訊，” Soscia表示，“在這里，你插入一個(gè)插片，然后將細(xì)胞通過(guò)插片頂部打入，使得細(xì)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(xì)胞粘附但是失去了支撐，這使得它們可以自由生長(zhǎng)并與其它區(qū)域通訊。”
為了這一概念驗(yàn)證研究，科學(xué)家們分析了嚙齒動(dòng)物細(xì)胞的電活動(dòng)長(zhǎng)達(dá)30天，細(xì)胞顯示了文獻(xiàn)中描述的模擬生理反應(yīng)的特征和改變。基于實(shí)驗(yàn)，他們預(yù)測(cè)大腦細(xì)胞在芯片上可以更長(zhǎng)時(shí)間的保有功能性，長(zhǎng)達(dá)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(xì)胞一起培養(yǎng)時(shí)，海馬體細(xì)胞的某些特征，如爆發(fā)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的動(dòng)作電位峰值的百分比，都顯著升高。
LLNL生物學(xué)家Kris Kulp說(shuō):“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(lái)像海馬神經(jīng)元，但它們確實(shí)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(shí)別特征，但它們的通訊方式略有不同。”
Kulp說(shuō)，研究人員可以通過(guò)大腦-芯片的平臺(tái)，分析疾病在大腦中的傳播方式、癲癇模型，或者有望檢測(cè)化學(xué)或生物暴露在幾個(gè)月的時(shí)間里的影響。
“你可以模擬某些人像在戰(zhàn)場(chǎng)上一樣有一個(gè)短時(shí)間的暴露在有害環(huán)境中，然后在之后的六個(gè)月中對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行監(jiān)測(cè)，看看會(huì)發(fā)生什么，” Kulp表示，“也許它們從最初的接觸中恢復(fù)過(guò)來(lái)，但六個(gè)月后，它們?nèi)匀粫?huì)有一些損傷。這是唯一一種允許對(duì)人體細(xì)胞進(jìn)行這種實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)。”
這項(xiàng)研究仍在繼續(xù)，作為一項(xiàng)以大腦為重點(diǎn)的戰(zhàn)略計(jì)劃的一部分，LLNL生物學(xué)家Nick Fischer擔(dān)任首席研究員。該計(jì)劃將大腦和血腦屏障芯片的平臺(tái)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行應(yīng)用科學(xué)研究。研究人員說(shuō)，下一步是將大腦芯片設(shè)備擴(kuò)展到三維，并對(duì)迄今收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算機(jī)科學(xué)家、統(tǒng)計(jì)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(gè)想法到一個(gè)平臺(tái)生成數(shù)據(jù)，現(xiàn)在使用這些數(shù)據(jù)來(lái)告知預(yù)測(cè)生物學(xué)模型，這是一件激動(dòng)人心的事情。”
參考資料
[1] 'Brain-on-a-chip' tests effects ofbiological and chemical agents, develop countermeasures
來(lái)源：康健新視野（微信號(hào) HealthHorizon）
