测试生物和化学制剂效果的大脑芯片

劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家和工程师开发了一种“芯片上的大脑”设备，旨在测试和预测生物和化学制剂、疾病或药物对大脑的影响，而不需要人类或动物受试者。

该设备是实验室iCHIP(基于体外芯片的人类研究平台)项目的一部分，通过记录在微电极阵列上沉积和生长的各种脑细胞类型的神经活动来模拟中枢神经系统。这个平台在《PLOS一号》杂志上有所描述，它可以帮助科学家理解脑细胞如何连接和相互作用，对抗脑部疾病，确定士兵如何受到化学和生物武器的影响，并开发解毒剂来抵消这些影响。

“虽然我们还没有接近可以在体外完全复制大脑的地步，但这是增加这些设备复杂性并朝着正确方向前进的重要一步，”共同首席作者和LLNL说。戴夫索西亚，研究工程师。“我们的想法是，最终社区达到了这样一个水平，人们对这些设备充满信心，当他们将化学物质或药物放入平台环境时，他们看到的效果与我们在人体中看到的效果类似。”

为了重建大脑区域，研究人员将芯片分为四个不同的区域——三个子区域和一个代表大脑皮层的外部区域。研究人员将初级海马和皮质细胞放在电极上，并根据它们在大脑中的相对方向进行定位。使用定制的插入物，细胞可以在它们被放置在设备中之后被移除，以允许不同区域之间的自由通信。然后，研究小组监测细胞的动作电位模式——细胞在交流过程中发出的电能“爆发”——并观察细胞如何随着时间的推移相互作用。研究人员还成功地用四细胞插入物进行了测试，证明可以同时使用更多的细胞类型。

科学家们表示，该平台是LLNL应对新兴和现有威胁的更广泛愿景的一部分，使他们能够研究各个大脑区域之间形成的网络，并在不进行动物或人类测试的情况下获得及时的、与人类相关的数据。这些数据将用于更好地预测人类对对策、病毒或药物的反应，并帮助科学家确定某些类型的神经元是否更容易受到暴露。

“这使我们能够提出一个平台，我们可以用来测试化学物质如何影响大脑，”iCHIP的首席研究员伊丽莎白惠勒说。“显然，在高剂量下，我们知道暴露会有害，但想想长期暴露在低水平化学品中的士兵。未来使用这种设备，我们或许可以预测大脑会受到怎样的影响。如果我们了解它是如何受到影响的，那么我们就可以制定一项对策来保护战斗人员。”

研究人员表示，这项技术还使他们能够看到当细胞与不同类型的细胞结合或接近时，细胞是如何交流的。使用微制造的漏斗形插入物沉积细胞允许插入物与任何类型的芯片平台或细胞类型一起使用，因为它不需要用不同的化学物质将芯片表面图案化以将细胞粘附于其上。索西亚说，该系统还使研究人员能够轻松地从“宏观世界到微观世界”，并在比以前更小的区域内存储多种细胞类型。

“对我们来说，没有物理障碍非常重要，因此细胞可以发展互动和交流的过程，”索西亚说。“在这里，你只需插入一个插件，通过插件的顶部吸取细胞，然后将它们精确地放置在电极阵列的特定区域。而且因为是流动的，细胞会附着，但是没有什么可以阻止；允许它们自由生长，与其他地区交流。”

为了这项概念验证研究，科学家分析了啮齿动物细胞30天的电活动，并报告说，细胞显示出特征和变化，模仿了文献中描述的生理反应。根据他们的实验，他们预测脑细胞可以在芯片上保持活跃和可记录几个月。通过比较单一培养(与相同类型的其他细胞)和共培养(两种细胞类型存放在一个设备中)中的海马和皮质神经元，研究表明，海马细胞的一些特征，如爆发时发现的动作电位百分比峰值，在与皮质细胞一起培养时明显更高。

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