图示：劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员戴夫索西亚（Dave Soscia）正在显微镜下检查“芯片大脑”设备

芯片大脑技术BRAIN-ON-A-CHIP

据悉，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员已经开发出“芯片大脑”技术的新用途：测试生物和化学制剂随着时间的推移对大脑的影响。其研究成果于2017年11月在PLoS One期刊上发表。这项研究是一个致力于开发“芯片大脑”技术的研究机构的重要工作，研究人员希望通过这项研究，在未来某一天不再对动物进行神经类疾病的相关实验。

所谓“芯片大脑”技术在本质上说是研究人员将半导体晶圆用纳米导线打造的网络。当脑细胞被引入芯片后，他们可以使用纳米线作为支架来构建功能性神经元回路，模拟大脑中神经元的相互连接。一旦构建模拟的脑回路，研究人员不仅可以观察到神经连通性，还可以研究疾病和创伤对其造成的影响。

2017年1月，哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员率先在研究中使用了这种“芯片大脑”设备。这种芯片设备能够使研究人员根据大脑中神经元位置的不同以及不同神经元之间的连接方式来识别神经元之间的差异性，特别是对精神分裂症等疾病在神经学基础层面进行研究分析。澳大利亚国立大学的研究人员后来改进了纳米导线的架构，开发出有史以来第一个能够运行的神经元电路。

而来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室的最新应用研究则发现，该技术可用于研究生物和化学制剂对大脑的长期影响。目前研究小组主要关注军事人员可能会经受的化学暴露。由于创伤后应激障碍的普遍性，军事人员已经成为神经学研究最感兴趣的患者人群。

大脑对化学制剂的反应

在他们的研究中，研究人员专注于使用他们的“芯片大脑”来研究脑细胞是如何受到大量化学制剂的影响，以及这些制剂是如何随着时间的推移而改变大脑的研究。希望通过更深入地了解现有机制，可以开发出相应的解毒剂，对患者进行治疗或预防，并在现实中保护军事人员等群体。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室团队所使用的“芯片大脑”设备定制了特定的插入件，使得它们能够对大脑的不同区域进行建模，根据需要以研究相应区域的互连性。这也让研究人员可以将多个不同类型的神经元细胞都放置在比以往任何时候都小得多的区域，从而在“宏观世界到微观世界”之间实现轻松转换。

通过这种设备，研究团队能够监控脑细胞在交流时所发生的爆发（称为“动作电位模式”），并让他们了解这种相互联系随着时间的推移如何发生变化，特别是当大脑暴露于如化学试剂等情况下会如何反应。

iCHIP首席研究员伊丽莎白·惠勒（Elizabeth Wheeler）在LLNL的新闻稿中解释说：“显然，在高剂量下，我们知道暴露将是有害的，但是那些长时间暴露于低水平化学品的战士会如何尚不清楚。将来使用这种设备，我们可能能够预测大脑将如何受到影响。如果我们明白它的影响，那么我们就可以制定出保护战士的对策。“

不再需要更多的实验大鼠？

劳伦斯利弗莫尔国家实验室工程师，论文联合作者之一的戴夫索西亚（Dave Soscia）说：“虽然我们离完全重新认识体外大脑尚有不少差距，但相关研究在增加这些设备的复杂性并朝着正确的方向迈出了重要一步。我们的想法是最终让人们对这些设备产生足够的信心，让化学药品或药物进入平台环境所观察到的效果与我们在人体内看到的结果相似。”

生物学家克里斯库普（Kris Kulp）进一步解释说：“你可以模拟某人在战场上短暂暴露于化学制剂，然后在六个月内观察相应神经元会发生何种变化。也许他们会从最初的暴露中恢复过来，但是从现在起的六个月后，仍然会产生一些不良影响。这是唯一一种可以对人类细胞进行这种实验的系统。“

下一步的开发计划是研究团队将与计算机科学家，统计人员和其他人员建立合作，帮助他们分析和模拟该设备所提供的实验数据。