近日，《Nano Letter》发表了澳大利亚国立大学的一项研究成果，研究人员成功地在半导体芯片上培养出了有功能的脑神经细胞回路，制造出“芯片大脑”。
该芯片布有纳米线阵列，大鼠的脑神经细胞能够沿着纳米线搭建的支架生长，细胞与细胞之间通过神经突触互相连接，形成了功能性神经回路。
图 | 纳米线阵列上生长的神经元和神经轴突的扫描电镜图像
大脑处理感知觉信息和学习记忆，依赖于神经元构成的神经突触网络。脑神经网络看似复杂，实则高度有序。神经细胞突触网络的形成，依赖于细胞外的基质环境，并且受到细胞骨架中的各种跨膜蛋白和机械敏感性离子通道的调节。
那么，如何在体外构建模型，模拟生物体内脑神经的活动呢？首要的就是制造出合适的细胞培养材料，让脑神经细胞在类似体内的条件下生长。
然而，常规的细胞体外培养材料大多为微米级别，神经细胞的生长形态受限，神经元之间能够形成的突触连接也较少，无法模拟三维大脑的真实发育情况。因而，有必要改善神经元体外生长的基质环境，使细胞无拘无束地伸展、扩增，使其机械感应能力和空间感知能力更自然地发挥。因此，研究人员将培养材料缩为了纳米级。
在这项最新的研究中，研究人员开发出了新型人造基质表面——纳米线半导体芯片，能够很好地固定神经元，引导神经轴突生长，记录神经细胞膜内外的生理活动。而且，半导体纳米线通过与电子电路的整合，在刺激和记录细胞电生理活动方面有其不可取代的优势。
这项研究首先证明了所用的纳米线芯片没有细胞毒性。不同神经元的神经突触能够沿着垂直排列的纳米线支架向各个方向生长，增加了神经元之间形成突触连接的可能。通过进一步检测神经细胞的功能，研究人员发现芯片上生长的神经细胞具有同步的钙离子活性，表明了脑神经回路能够进行信息通讯。
图 | 皮质神经元轴突或树突的生长依赖纳米线阵列的排布。虚线方块表示纳米线阵列区
该芯片提供了一个小型平台，可以用来研究脑神经细胞的生长、神经细胞对外部环境刺激的反应，以及细胞之间如何沟通等。结合纳米线优异的光电性质，该芯片也可用于感测和刺激大脑中神经细胞的活动。
该项研究中使用的纳米线阵列，将为设计机器—组织界面的工程研究提供依据。利用这类纳米线来操控神经元生长，是再生医学和组织工程中制造神经假体的重要一步，并最终达到修复脑损伤的目的。
这项研究横跨物理学、工程学和神经科学多个学科，开启了纳米材料技术和神经科学紧密结合的研究模式。
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参考：
ViniGautam et al. Engineering HighlyInterconnected Neuronal Networks on Nanowire Scaffolds, Nano Letters (2017). DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05288
Read more at: https://medicalxpress.com/news/2017-05-brain-chip.html#jCp
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