通過生物晶片構造人工大腦,哈佛研究員探索疾病新療法

2021-01-17 EDN電子設計技術

智東西8月21日消息，本周一，哈佛大學科學家在《自然生物技術》（Nature Biotechnology）上發布了他們的最新論文。論文中，他們表示已在聚合物晶片上構造出了複雜的人造大腦，並且正在使用甲基苯丙胺（冰毒）來測試這顆大腦的生理反應。Xw1ednc

這項研究由哈佛大學維斯生物工程研究所的本·毛茲、安娜·赫蘭和愛德華·菲茨傑拉德共同領導，代表了器官晶片技術的前沿科技。這種模擬器官功能的方法將人細胞培養物整合到微流控晶片（Microfluidic chip）中，並觀察對新分子和刺激的反應。Xw1ednc

研究人員選擇使用使用冰毒來作為刺激源，原因在於這種毒品對大腦的影響程度很大，因此，他們試圖利用這種新系統揭示冰毒對神經血管不同部位的代謝作用。Xw1ednc

換句話說，這些器官晶片允許科學家觀察人造大腦受到毒品影響的過程，從而進一步研究大腦的功能。這不僅有助於解開常見的成癮物質對大腦的影響，也可以為諸如毒品等成癮物質的治療提供信息，而且有助於開拓新方法，為大腦中的正確目標提供有用的藥物。通過進一步的研究，科學家有望開創新的方式，將正確的藥物輸送到大腦的相應部位。Xw1ednc

維斯團隊試圖複製血腦屏障（blood-brain barrier）的作用。這種半滲透性過濾器的作用就像大腦中的保鏢，允許像水和葡萄糖這樣有用的物質從血液中流向神經元，同時不讓它們接觸到具有潛在危害的分子。Xw1ednc

Xw1ednc

為了人工模擬這種相互作用，科學家們將一個裝滿神經細胞的大腦晶片與兩個含有內皮細胞、星形細胞和周細胞（這是控制腦屏障的細胞類型）的腦屏障晶片連接起來。Xw1ednc

人工血液和脊髓液流經該系統，把分子引入血腦屏障晶片，之後分子被過濾到與血腦屏障晶片相連的腦晶片中。Xw1ednc

這就是冰毒發揮效用的地方。甲基苯丙胺的最大影響之一是增大了血腦屏障的滲透性，使得血腦屏障允許更多的有害分子進入。當1.5毫米的甲基化物流入血腦屏障晶片時，大約10%的劑量穿過屏障進入大腦晶片，並與神經元結合。通過晶片反饋的結果，我們可以模擬藥物對神經產生的作用。Xw1ednc

除了藥物實驗外，晶片也適用於神經病理學研究。研究人員通過把中風、阿爾茨海默症、創傷性腦損傷或其他疾病患者的細胞集成到晶片中，並使用基因編輯的方法準確檢測疾病。Xw1ednc

毛茲，赫蘭和菲茨傑拉德分別在特拉維夫大學，KTH皇家理工學院和烏普薩拉大學的實驗室開發新的有機晶片平臺。Xw1ednc

「目前，我們在維斯研究所和實驗室都有許多涉及系統和概念的研究。」 毛茲說，「比如，在晶片上建立一個包含更多器官的微型人體。最終，我們的目標是在晶片系統上創造個體的單一器官。」Xw1ednc

換句話說，研究人員將通過創建一個「微型晶片上的人體」來實現個性化醫療。Xw1ednc

（原文發表於Motherboard；智東西編譯）Xw1ednc

相關焦點

  • 最新發現:「晶片大腦」可用來模擬藥物對大腦影響
    科學家們認為，隨著這種技術的成熟，未來或將可以不再因許多神經系統疾病進行動物甚至人體臨床試驗。晶片大腦技術BRAIN-ON-A-CHIP據悉，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員已經開發出「晶片大腦」技術的新用途：測試生物和化學製劑隨著時間的推移對大腦的影響。其研究成果於2017年11月在PLoS One期刊上發表。
  • MIT新型「大腦晶片」問世,數萬人工大腦突觸組成,可進行超複雜計算
    近日，麻省理工學院（MIT）的工程師們設計了一種「大腦晶片」，讓我們向那種未來又邁進了一步。研究人員所用的晶片物理體積比一片紙屑還要小，但卻被工程師們放置了成千上萬個「人工大腦突觸」，這種被稱為「憶阻器」的矽基元件，能夠模仿人類大腦中信息傳遞的突觸結構。
  • 中國科學家探索「人工冬眠」奧秘 有望治療神經系統疾病
    事實上，科學家們正在設想，人類能否像冬眠的動物一樣，通過事先儲備能量、降低體溫、減少代謝等方式進入低能耗狀態，為一些疾病的治療乃至太空的探索帶來新的可能。腦認知科學和腦疾病研究所，於2014年11月16日由中國科學院深圳先進技術研究院與美國麻省理工學院麥戈文腦科學研究所聯合建立。
  • 3D晶片大腦：在晶片上培養腦細胞，還能用來測試新藥
    Fischer 表示，這項 3D 晶片大腦研究的最終目的是：開發出一個提供人類相關數據的實驗平臺，通過簡化、易復現、中肯的模型系統，更好地理解不同類型的藥物和治療方案對人腦功能的影響。他們設計和完善了帶有多電極陣列的晶片大腦設備。
  • 哈佛大學研發電子晶片,可同時記錄數千神經元的突觸連接
    現在，哈佛大學的研究人員開發了一種電子晶片，可以以高靈敏度同時記錄數千個相連的神經元的信號。這一突破使科學家們能夠以前所未有的水平繪製突觸連接圖譜，識別出數百個突觸連接。相關論文發表在《自然生物醫學工程》雜誌上。
  • 人體器官晶片:顛覆性的生物新星
    ¹該項肺器官晶片滿足了對肺模擬生化環境的構造，實現了藥物與營養物質在細胞間的擴散，滿足了細胞間的養分供應，模擬了因呼吸引起的肺部生理環境。因此，可用來進行肺部疾病與藥物的研究與篩選。 除了單器官的模擬，器官晶片甚至能夠實現多組織器官相互作用的模擬。
  • 美國神經科學家將計算機晶片植入豬的大腦，以治癒人類疾病
    該豬的大腦植入了硬幣大小Neuralink設備，即計算機晶片，這顯示著人類未來對通過植入技術治療相關疾病邁出了可喜的一步。如果此舉成功，那麼，植入物可以解決諸如記憶力減退，聽力下降，抑鬱和失眠之類的疾病。
  • 探索大腦的奧秘,人造大腦
    科學家希望通過對人類大腦的不斷深入研究和開發，以此來希望創造出跟我們人類大腦比較相似的人造大腦，這樣就能夠有效地處理各種問題，在人工智慧科學的領域裡面，科學家所提出的究竟能否創造出具有人類全部功能的這種人造大腦，通過思維實驗，證明其實這種理論還是可行的，而且非常有望實現。
  • 晶片上培養腦細胞，測試新藥，LLNL實驗室開發出3D晶片大腦
    divAbstract該研究技術複雜度很高，不過參與的研究人員認為，這可以為消除影響大腦功能的毒素或神經系統疾病（如癲癇）提供高效的新方案。Fischer 表示，這項 3D 晶片大腦研究的最終目的是：開發出一個提供人類相關數據的實驗平臺，通過簡化、易復現、中肯的模型系統，更好地理解不同類型的藥物和治療方案對人腦功能的影響。
  • 哈佛團隊利用「器官晶片」系統助力新藥研發:可體外預測體內藥物代謝
    為了幫助解決藥物開發中的這一瓶頸，唐納德·英格伯（Donald Ingber）和他的哈佛大學懷斯生物啟發工程研究所（Harvard’s Wyss Institute for BiologicallyInspired Engineering）的團隊開發了第一個人類「器官晶片」（organ chip-on-chip）模型。
  • 人工培育大腦未來可替換人類大腦的某些構成?成為真正大腦的組成
    而對於我們大腦的活動研究，其實不論是生物學家還是醫學方面都投入了大量的研究，希望能夠進一步地揭開我們人類大腦活動深層的奧秘，尤其是很多科學家希望能夠通過，現在的高科技技術手段來培育出可替代我們人類自身大腦系統，希望這種人工培育出來的大腦，能夠協助完成人類大腦的一些活動，而這個願望很可能馬上就要實現。
  • 人造大腦已開啟!深扒全球仿生晶片計劃:15+公司入局
    他所創立的公司Koniku研發了一種特殊的晶片Koniku Kore，將活的轉基因腦細胞與傳統矽融合在一起。阿加比說，該晶片通過檢測人體釋放的揮發性有機化合物，能檢測從肺癌到新冠肺炎的一系列疾病。迄今為止，人的大腦仍是一片生長著無數未解之謎的原野，無人能窺得它的全貌。但科學家們從未停止探索人腦奧秘的腳步，不僅嘗試破解生命科學的密碼，在腦重大疾病研究方面有所突破，而且試圖模仿已知的神經元活動，打造類腦的計算機系統。
  • 新型「晶片上的大腦」：為可攜式人工智慧系統打造神經網絡硬體
    導讀據美國麻省理工學院官網近日報導，該校研究人員設計出一款「晶片上的大腦」。它比一片五彩紙屑還小，由數以萬計的人工大腦突觸製成。背景大腦是人體最重要的器官之一，它支撐著人的視覺、聽覺、平衡、味覺、嗅覺、記憶、情感、學習等。大腦的構造十分複雜，由大約1千億個神經元（Neuron）組成，並由約100萬億個突觸（Synapse）連接。這些神經元與突觸一起構成了一個極其龐大的生物神經網絡。
  • 你願意在大腦植入晶片嗎?
    編輯：常樂校對：百味據多家外媒報導，8月29日，擁有美國太空探索技術的埃隆·馬斯克在發布會上，向全世界展示了旗下Neuralink公司開發的接口晶片和自動植入手術設備。馬斯克的Neuralink公司腦機接口，就是一種通過大腦（人或者動物的）與外部設備直接連接而實現大腦與設備之間的信息交換。這個概念已經存在許久，但是卻不曾被人們熱議，一直到20世紀九十年代後，才慢慢開始出現階段性成果。在2008年，神經學家發現猴子可以操縱機械臂餵食的技能，這代表著人將動物大腦與設備相連的實現已成為可能。
  • 人腦植入晶片的危害有多大?大腦晶片植入技術路線的探討
    「現在這一路線上的研究重點，是如何讓植入的晶片更安全、信道更多、數據更準確的問題，但這種開顱治療並不屬於革命性的突破。我們支持的中科院微電子所的陶虎教授的新型大腦電極，其實比Neuralink進展更快。」 　　在前述「腦科學前沿實驗室」成果展示中，就特別展示了陳天橋所提到的項目，由中科院上海微系統所陶虎研究員團隊和華山醫院神經外科團隊共同承擔。
  • 李萬萬研究員團隊在液相生物晶片領域取得重要進展
    最近，上海交通大學材料科學與工程學院/金屬基複合材料國家重點實驗室李萬萬研究員團隊在液相生物晶片領域取得重要進展，相關成果以「Precisely Encoded Barcodes Using Tetrapod CdSe/CdS Quantum Dots with a Large Stokes Shift for Multiplexed
  • 全新「生物晶片」:用晶片再造一個你
    至少對於醫生來說，這是個不錯的創新，因為它可以幫助醫生識別出快速治癒你的方法，患者也不用再經歷痛苦的「試錯治療」過程，而且還可以減輕目前醫療系統的負擔。生物晶片現在加州大學伯克利分校的研究人員正在探索這一領域。他們嘗試在一塊小晶片上面「培育」人類器官組織，如心臟和肺。
  • 通過大腦植入晶片 恢復盲人的視力將有可能成為現實
    打開APP 通過大腦植入晶片 恢復盲人的視力將有可能成為現實 陳根 發表於 2020-12-08 16:28:34 　　過去的很長一段時間裡
  • 人工智慧浪潮下的洋流,追求模擬大腦的功能
    「類腦計算從結構上追求設計出像生物神經網絡那樣的系統，從功能上追求模擬大腦的功能，從性能上追求大幅度超越生物大腦，也稱神經形態計算。」黃鐵軍接受科技日報記者採訪時說。 類腦計算試圖模擬生物神經網絡的結構和信息加工過程。它在軟體層面的嘗試之一是脈衝神經網絡（SNN）。 現在深度學習一般通過卷積神經網絡（CNN）或遞歸神經網絡（RNN）來實現。
  • 腎病前沿|尿毒症患者的新希望:列印腎、人工腎臟的出現
    隨著社會的發展和科技的進步，人們對腎臟的研究及探索越來越深入，隨之出現的就是新技術應用於腎病的治療當中。其中就有3D列印腎、可穿戴人工腎、基於晶片的植入式人工腎等多種新興技術，可以解決患者的燃眉之急。一、3D列印腎哈佛大學生物工程教授詹妮弗·路易斯的實驗室利用3D列印技術製造出人體腎臟中近端小管，理論上，可以合成整個整個腎臟。