人类的思想源于大脑中神经元之间的信息传递。然而,我们对神经元之间连接的发生过程所知甚少。
为了能够直接观测到神经元间形成连接的过程,来自澳大利亚的研究团队设计了一款布满“神经元支架”的半导体芯片,使神经元可以在上面有序发育并与其他神经元形成环路。此项研究发表在近期的《纳米通讯》(Nano Letters)杂志上。
“这种‘神经元支架’还远远达不到我们想象中的‘芯片大脑’的水平,但它为科学家提供了研究神经元生长和连接的新方法,” 这项研究的领导者,来自澳洲国立大学的生物材料工程师Vini Gautam称,“如何在实验室中重建神经环路,一直是科学家们面临的难题。
脑中的神经元以高度有序的方式连接并传递信息,但在实验室中,体外培养的神经元只能杂乱无序的生长,如此形成的神经环路自然与脑中真实的环路相去甚远。”
图丨澳洲国立大学的Vini Gautam博士
“理解脑中神经环路的形成一直是神经科学领域最基本的问题之一,”Gautam说,“因为神经元间的连接是我们意识产生的结构基础。对其发育过程和连接方式的理解,将是发明治疗精神疾病新方法的关键。”
Gautam与她的同事Chennupati Jagadish和Vincent Daria希望创造出一种能够引导神经元生长的新环境,并使神经元间形成类似于自然状态的、能够产生同步化信号的连接。
因此,他们使用磷化铟制成了纳米级导线支架。“这种材料因用于制作发光二极管、太阳能电池等纳米尺寸电子元件而被人们熟知。然而之前从未有人用它接通过神经元。”Gautam说道。
研究者们将纳米线以方形晶格的形状排列,每一个脚手架上接种50个左右的啮齿动物神经元,随后将其放入培养基中生长,并对它进行观察。
几天后,神经元长出了神经突。在脑中,这些纤长的结构是从神经元胞体产生的突起,在末端形成分支并与其它神经元形成突触。在纳米支架上,研究人员观测到,神经元发出分支跨过栅格的神经突,并与其它神经元形成了突触连接。
图 | 随机生长的神经元
“我曾经观察过非常多的神经元,但在它们总是生长得随机而杂乱。”Gautam说道。“但这次我在镜下观察种在脚手架上的神经元时,我惊讶的发现,它们的神经突沿着直线生长,并且像栅格一样排布得非常整齐。”
这说明神经突是在脚手架排布的方式引导下生长的。这种芯片能够在某种程度上操控神经突生长,对研究者来说无疑是件好事。同时,神经元间自然地形成了连接,并能够产生同步化放电——这与大脑的活动模式非常相似。
总而言之,脚手架芯片发挥的功能使它成为用于研究神经环路发育的优良工具。
研究团队利用扫描电镜的方式监视了神经突的生长过程,并且用钙离子成像方法测试了神经元间功能性连接的强度。结果发现,神经元在有赖氨酸和层黏连蛋白——两种利于细胞附着的物质——涂层的芯片上生长得最理想。
为了能够与生理状态下的神经环路更相似,Gautam和她的同事目前仍在不断优化神经元支架芯片,同时在使用它研究神经环路形成的相关机制。
她希望这项发明将来能够用于修复脑部外伤或疾病造成的神经环路紊乱,并引领脑修复术领域的发展。
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