科学家开发芯片大脑建模并分析神经元网络

发布时间：2020-09-14 发布者：亚时财经

在一些需要探究生物体反应的实验中，人们往往需要借助如小白鼠等生物样本。这不仅是一笔不小的开支，同样也不能完全证实实验对人体有同样的效果。于是有科学家开发出芯片大脑，并在此基础上建模实验，以之代替动物实验。

（图源：网络）

近日，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的多学科科学家团队开发了一款三维“芯片大脑”（brain-on-a-chip），它能够捕获体外培养活体脑细胞的神经活动，并提出了一种建模交互神经元群体及其网络结构的方式，也就是构建在芯片上培养脑细胞的模型。

目前而言，神经动作电位的电生理记录一般要通过二维微电极阵列（multi-electrode array，MEA），这是一种既常见又可信的评估神经功能、网络通信、生化制剂反应的方法。相比之下，三维体外神经元网络用于测量电生理活动的情况较少。

三维模型是超越二维芯片脑平台的重要一步，因为在三维模型中，科学家们能够更为全面地复制人脑的生理功能，也能更好地了解大脑的功能和那些对大脑产生刺激等影响的化学物质。研究细胞-细胞、细胞-细胞外基质相互作用，要利用组织环境中的空间、机械、化学线索，而这在传统的二维模型中是行不通的。

因此，研究团队开发了一种三维芯片大脑（brain-on-a-chip），即一种三维柔性微电极阵列（3DMEA），旨在实现性能、便捷性以及与现有商业电生理仪器的兼容性。

通过实用性实验，团队人员称，从3DMEA获得的数据可以为科学研究提供信息。在不需要动物模型的情况下，可为暴露于化学生物制剂、模拟疾病感染、评估环境毒性或研发药物的研究人员制定对策。

另外，这种在芯片上培养脑细胞的模型，可以用于分析接种在体外片上脑部设备上的脑细胞中形成的神经元网络的结构。尽管已有研究人员从神经活动的快照中模拟了基本统计数据，但LLNL的方法是独特的，因为它可以模拟神经元文化的时间动态-这些神经网络的演变随着时间的推移而变化。

这意味着，研究人员可以通过其了解神经社区结构，社区如何演变以及结构如何在实验条件下变化。虽然目前的这项工作是为2D片上大脑数据开发的，但该过程可以很容易地适应LLNL的3D片上大脑。

该研究项目首席研究员表示，对于模拟神经连接计划是汇集工程、生物学和计算知识，开发出一种更能代表人脑生理机能和功能的模型。而这项研究或将推动该领域向着这个终极目标前进。同时，他们致力于在3DMEA上复制人体系统，希望未来研发的设备更适用于人类，甚至取代动物测试。

责任编辑：Carrick

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