最新發現:「晶片大腦」可用來模擬藥物對大腦影響
2020-12-01 網易科技（原標題：「Brain-on-a-Chip」 Devices Are Changing How We Study the Brain）
圖示：勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員戴夫索西亞（Dave Soscia）正在顯微鏡下檢查「晶片大腦」設備
網易科技訊 1月16日消息，據Futurism網站報導，目前研究人員正在改進並完善「晶片大腦」技術。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。這項研究是一個致力於開發「晶片大腦」技術的研究機構的重要工作，研究人員希望通過這項研究，在未來某一天不再對動物進行神經類疾病的相關實驗。
所謂「晶片大腦」技術在本質上說是研究人員將半導體晶圓用納米導線打造的網絡。當腦細胞被引入晶片後，他們可以使用納米線作為支架來構建功能性神經元迴路，模擬大腦中神經元的相互連接。一旦構建模擬的腦迴路，研究人員不僅可以觀察到神經連通性，還可以研究疾病和創傷對其造成的影響。
2017年1月，哈佛大學John A. Paulson工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員率先在研究中使用了這種「晶片大腦」設備。這種晶片設備能夠使研究人員根據大腦中神經元位置的不同以及不同神經元之間的連接方式來識別神經元之間的差異性，特別是對精神分裂症等疾病在神經學基礎層面進行研究分析。澳大利亞國立大學的研究人員後來改進了納米導線的架構，開發出有史以來第一個能夠運行的神經元電路。
而來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的最新應用研究則發現，該技術可用於研究生物和化學製劑對大腦的長期影響。目前研究小組主要關注軍事人員可能會經受的化學暴露。由於創傷後應激障礙的普遍性，軍事人員已經成為神經學研究最感興趣的患者人群。
大腦對化學製劑的反應
在他們的研究中，研究人員專注於使用他們的「晶片大腦」來研究腦細胞是如何受到大量化學製劑的影響，以及這些製劑是如何隨著時間的推移而改變大腦的研究。希望通過更深入地了解現有機制，可以開發出相應的解毒劑，對患者進行治療或預防，並在現實中保護軍事人員等群體。
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室團隊所使用的「晶片大腦」設備定製了特定的插入件，使得它們能夠對大腦的不同區域進行建模，根據需要以研究相應區域的互連性。這也讓研究人員可以將多個不同類型的神經元細胞都放置在比以往任何時候都小得多的區域，從而在「宏觀世界到微觀世界」之間實現輕鬆轉換。
通過這種設備，研究團隊能夠監控腦細胞在交流時所發生的爆發（稱為「動作電位模式」），並讓他們了解這種相互聯繫隨著時間的推移如何發生變化，特別是當大腦暴露於如化學試劑等情況下會如何反應。
iCHIP首席研究員伊莉莎白·惠勒（Elizabeth Wheeler）在LLNL的新聞稿中解釋說：「顯然，在高劑量下，我們知道暴露將是有害的，但是那些長時間暴露於低水平化學品的戰士會如何尚不清楚。將來使用這種設備，我們可能能夠預測大腦將如何受到影響。如果我們明白它的影響，那麼我們就可以制定出保護戰士的對策。「
不再需要更多的實驗大鼠？
勞倫斯利弗莫爾國家實驗室工程師，論文聯合作者之一的戴夫索西亞（Dave Soscia）說：「雖然我們離完全重新認識體外大腦尚有不少差距，但相關研究在增加這些設備的複雜性並朝著正確的方向邁出了重要一步。我們的想法是最終讓人們對這些設備產生足夠的信心，讓化學藥品或藥物進入平臺環境所觀察到的效果與我們在人體內看到的結果相似。」
生物學家克裡斯庫普（Kris Kulp）進一步解釋說：「你可以模擬某人在戰場上短暫暴露於化學製劑，然後在六個月內觀察相應神經元會發生何種變化。也許他們會從最初的暴露中恢復過來，但是從現在起的六個月後，仍然會產生一些不良影響。這是唯一一種可以對人類細胞進行這種實驗的系統。「
下一步的開發計劃是研究團隊將與計算機科學家，統計人員和其他人員建立合作，幫助他們分析和模擬該設備所提供的實驗數據。（晗冰）
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