芯片上的大脑测试生物化学试剂的作用

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“片上大脑”设备，旨在随时间推移测试和预测生物化学试剂，疾病或药物对大脑的影响，而无需人类或动物科目。

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，通过记录沉积并生长在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》杂志上进行了描述，可以帮助科学家了解脑细胞如何连接和相互作用，如何对抗脑部疾病，确定士兵如何受到化学和生物武器的影响以及开发解毒剂来抵消这些影响。

共同主要作者和LLNL表示：“虽然我们还无法完全达到体外重现大脑的能力，但是这是增加这些设备的复杂性并朝着正确方向发展的重要一步。”研究工程师Dave Soscia。“这个想法是，最终社区会变得人们对设备充满信心，以至于他们将化学药品或药物放入平台环境所看到的效果与我们在人体中看到的效果相似。”

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。研究人员使用定制的插入物将原代海马和皮层细胞沉积在电极上，并根据其在大脑中的相对位置进行定位，这些插入物可以在将细胞放入设备后移除，以允许不同区域之间的自由交流。然后，研究小组监测了细胞的动作电位模式-细胞在交流时发出的电能“爆发”-并观察了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应对新兴威胁和现有威胁的更广泛视野的一部分，使他们能够研究大脑各个区域之间形成的网络，并获得及时的，与人类有关的数据，而无需进行动物或人类测试。这些数据将用于更好地预测人类对反措施，病毒或药物的反应，并可以帮助科学家确定某些类型的神经元是否更容易暴露。

iCHIP首席研究员伊丽莎白·惠勒(Elizabeth Wheeler)表示：“这使我们能够提供一个平台，可用于测试化学试剂如何影响大脑。”“显然，在高剂量下，我们知道暴露将是有害的，但请考虑一下长时间暴露在低水平化学物质中的战士。将来使用此设备，我们也许可以预测大脑将受到怎样的影响。如果我们了解它是如何受到影响的，那么我们可以制定对策来保护战士。”

研究人员说，这项技术还使他们能够看到细胞与不同细胞类型结合或位于不同细胞附近时如何进行不同的通信。用微制造的，漏斗状的插入物沉积细胞可以使该插入物与任何类型的芯片平台或细胞类型一起使用，因为它不需要使用不同的化学物质对芯片的表面进行图案化即可将细胞粘附到其上。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”，将多种细胞类型沉积在比以前更小的区域。

Soscia说：“对我们而言，没有物理障碍是非常重要的，因此细胞可以成长为互动和交流的过程。”“在这里，您实际上只是插入一个插入物，通过插入物的顶部吸取细胞，然后将其精确地沉积到电极阵列上的特定区域。而且因为它是可移动的，所以细胞粘附了，但是它们什么也挡不住。他们被允许自由成长并与其他地区交流。”

为了进行概念验证研究，科学家们分析了啮齿动物细胞长达30天的电活动，并报告说这些细胞表现出特征并模仿了文献中描述的生理反应而发生了变化。根据他们的实验，他们预测脑细胞可以在芯片上保持存活和记录的时间更长，长达数月之久。通过比较单培养(与其他相同类型的细胞)和共培养(两种类型的细胞都沉积在一个装置中)的海马和皮质神经元，研究表明海马细胞的某些功能，例如动作电位百分比与皮质细胞一起培养时，爆发中发现的峰值明显更高。

LLNL的生物学家Kris Kulp说：“我们发现，即使存在皮质神经元，海马神经元仍然看起来像海马神经元，但是它们确实根据具有不同种类的邻居而改变了某些特征。”“他们保留了自己的识别特征，但沟通方式有所不同。”

Kulp说，借助芯片上大脑平台，研究人员可以分析疾病如何在大脑中传播，模拟癫痫病，或者可能在几个月的时间内检查化学或生物暴露的影响。