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脑上芯片测试生物和化学试剂的影响

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“芯片上脑”设备,旨在测试和预测生物和化学药剂,疾病或药物对大脑的影响,而不需要人类或动物科目。

该设备是Lab的iCHIP(体外基于芯片的人体研究平台)项目的一部分,通过记录沉积并生长到微电极阵列上的多种脑细胞类型的神经活动来模拟中枢神经系统。该平台在PLOS One期刊中有所描述,可以帮助科学家了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我们能够完全重现身体外部大脑的那一点,但这是增加这些装置的复杂性并朝着正确的方向前进的重要一步,”联合主要作者和LLNL表示。研究工程师Dave Soscia。“我们的想法是,最终社区达到了这样的程度:人们对这些设备充满信心,他们将化学药品或药品放入平台环境所看到的效果与我们在人体中看到的结果相似。”

为了重建大脑区域,研究人员将芯片划分为四个不同的区域 - 三个子区域和一个代表大脑皮质的外部区域。研究人员将原代海马和皮质细胞放置在电极上,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,可以在将细胞放入装置后将其移除,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 - 细胞在交流时发出的电能“爆发” - 并观察细胞如何随时间相互作用。研究人员还成功地使用四细胞插入物进行了测试,以证明可以同时使用更多细胞类型。

科学家表示,该平台是LLNL应对新出现和现有威胁的更广阔愿景的一部分,允许他们研究大脑各个区域之间形成的网络,并获得及时的,与人类相关的数据,无需动物或人体测试。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,并可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,我们可以用它来测试化学药剂如何影响大脑,”iCHIP首席研究员Elizabeth Wheeler说。“显然,在高剂量时,我们知道暴露会有害,但想想长时间暴露于低水平化学物质的战士。将来使用此设备,我们可能能够预测大脑将如何受到影响。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个保护作战人员的对策。“

研究人员表示,该技术还使他们能够看到细胞与不同细胞类型结合或接近不同细胞时的通信方式。使用微制造的漏斗状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对芯片表面进行图案化以将细胞粘附到其上。Soscia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”,将多种细胞类型存放在比以前更小的区域。

“对我们来说非常重要的是,我们没有物理障碍,因此细胞可以发展过程来进行互动和沟通,”Soscia说。“在这里你只需插入一个插入物,将细胞通过插入物的顶部吸移,然后将它们精确地沉积在电极阵列上的特定区域上。而且因为它是可移动的,细胞会粘附,但它们没有任何东西阻挡它们;他们被允许自由成长并与其他地区沟通。“

对于这一概念验证研究,科学家们分析了啮齿动物细胞的电活动长达30天,报告称细胞表现出特征和变化,模仿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力和可记录的时间长达数月。通过比较单培养(与相同类型的其他细胞)和共培养(两种细胞类型沉积在一个装置中)中的海马和皮质神经元,研究表明海马细胞的一些特征,如动作电位的百分比在爆发时发现的尖峰,与皮质细胞一起培养时显着更高。

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