【紐約時報】美國科學家製造三維模型模擬大腦功能

2021-02-15 中國醫學論壇報
小編說：

本文刊於8月18日的《紐約時報中文網》，轉載請註明出處。


科學家發現，實驗室裡製造的一個類似甜甜圈的東西，可以模仿腦組織的一項基本功能。這個圓圈的環狀部分由絲材料製成，圈裡面填的是膠原蛋白凝膠。

生物工程師在培養皿中製成了相當於原始灰質和白質的材料，其中用了大鼠神經元，這些神經元能通過圓圈中間的物質相互交換信號。當科學家讓重物掉到這個圓圈上，以模擬創傷性損傷時，這個三維大腦模型中的神經元釋放出了化學信號和電信號，與受傷動物的大腦釋放的信號類似。

專家們表示，這是科學家首次能在實驗室裡如此逼真地模仿大腦功能。如果研究人員能用人的神經元重建這個模型，並提升到足以反映其他一些神經系統功能的水平，那麼這個模型或可用於研究疾病、創傷和治療如何影響大腦，從而避免人體臨床試驗的高費用和倫理問題。

「從與大腦的機械相似性來看，這是一個相當不錯的模仿，」 詹姆斯·J·希克曼(James J. Hickman)說。他是中佛羅裡達大學(University of Central Florida)的納米科學與技術教授，沒有參與這項研究。「他們能夠複製出最高水平的神經元功能。這是我看到過的最好的模型。」

該研究由塔夫茨大學(Tufts University)生物工程系主任戴維·卡普蘭(David Kaplan)主持，於周一發表在《美國科學院院刊》(PNAS)上。這是用生物醫學工程手段製造器官——比如心臟、肺和肝臟——仿真模型的一個最新例子。

研究人類大腦發育的工作大多依賴於動物實驗，或人死亡後獲取的大腦切片；兩者都有用，但都具局限性。

美國國家生物醫學成像和生物工程研究所(National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering)的組織工程與生物材料項目主任羅斯瑪麗·亨齊克(Rosemarie Hunziker)稱，以前的大腦模型大多是二維的，或是用三維凝膠製作。該研究所資助了卡普蘭的工作。

亨齊克還表示，過去的系統都沒有複製大腦的灰質或白質，也沒有複製出神經元如何傳導信號。「就算你能讓細胞在模型中存活，它們基本上也做不成什麼。」

卡普蘭的研究小組發現，一種塗有帶正電聚合物的海綿狀絲製材料可以培養大鼠神經元，用以替代灰質。絲製材料本身並不能讓神經元產生軸突，也就是把電脈衝傳遞給其他神經元的突出部分。

這些研究人員將絲製材料做成一個圓圈，在其中心添加了膠原蛋白凝膠。軸突從圓圈的一邊長出來，通過替代白質的凝膠，把信號發送給圓圈另一邊的神經元。

亨齊克說，他們讓「這些神經元互相交流。以前沒人真正做到了這一點。」

通過添加營養物質和生長因子，科學家把這個類似腦的組織放在孵化器中，讓其存活了兩個月，然後開始在它上面做試驗。

添加一種神經毒素基本上會把神經元殺死，就像在真正的大腦中那樣。為了模擬腦外傷，他們從不同高度讓重物掉到模型上。

卡普蘭稱，這個培養皿中的大腦「沒有四處飛濺」，其反應更像是「廚房裡的海綿，先是向下壓縮，然後部分反彈起來。」

他說，大腦受傷會導致神經遞質穀氨酸激增，而對模型中穀氨酸的測量顯示，「受傷越重，激增的峰值越高。」

哥倫比亞大學生物醫學工程系教授戈爾達娜·烏尼亞克-諾瓦科維奇(Gordana Vunjak-Novakovic)曾與卡普蘭在其他研究上有過合作。她稱這個模型的建造有點像「樂高用的方法」，是一種「模塊結構」，可以擴展成更複雜的形態。

她說，「這是首次在原理上證明，類似這樣的東西可以在體外實現。」

希克曼表示，還需要有未來的實驗來研究大腦的其他細胞和區 域。他說，「他們已經建立了一個構架，將來會有聰明人用它來做工作。」卡普蘭稱，他的研究小組正在努力讓這個類似腦的組織存活六個月，還要用上從幹細胞生 成的人類神經元。他打算加建一個大腦血管系統的模型，讓研究人員得以觀察當藥物通過血腦屏障時會發生什麼。

他的最終目標，是讓生物工程模型能被用於「所有的研究，從藥物，到疾病，到手術效果，再到植入電極，」他說。「我的意思是，可做的研究多得沒完沒了。」

欲知更多內容，請關注

中國醫學論壇報微信

搜索公眾帳號：

CMT-zonghe

或掃描下方二維碼

　

相關焦點

  • 美以製造病毒攻擊伊朗核設施被紐約時報曝光
    據新華社電 伊朗核設施去年11月遭計算機蠕蟲病毒Stuxnet侵襲，伊朗方面懷疑是美國和以色列所為。美國《紐約時報》15日披露，這種病毒由美國協助以色列技術人員開發，事先在以色列核基地內實施測試，旨在破壞伊朗核項目。
  • 《紐約時報》深度剖析谷歌大腦簡史
    《紐約時報》刊文，記者Gideon Lewis-Kraus深入谷歌大腦，從團隊建立開始，闡述他們如何用神經網絡改變谷歌翻譯這一谷歌重要產品。文章還探討了機器學習將如何重塑計算機這一概念本身。編譯中有刪減。
  • 以紮根理論看紐約時報的數位化轉型:讀《紐約時報是如何做新聞》
    2008年美國報業廣告收入跌幅，相較2007年達17.7%。廣告收入的減少，隨之而來的是報業的大裁員。這一背景下，傳統媒體為了生存，不得不擁抱網際網路，謀求數位化轉型，《紐約時報》就是這一過程中的典型代表。二、 背景《紐約時報》是什麼？以及它在美國媒體的地位《紐約時報》1851年創立，至今已有170年歷史。
  • 科學家在「3D晶片大腦」上建模 還要複製人體系統
    帶著這一問題，科學家們嘗試了很多替代動物實驗的方案，比如開發新算法、三維體外模型、利用魚胚胎（魚胚胎不屬於動物）進行毒性測試甚至是採用頗具爭議的人體實驗。實際上，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）也做了一項努力——開發一款 3D 晶片大腦（brain-on-a-chip），捕獲體外培養活體腦細胞的神經活動。不僅如此，他們還在這款三維晶片大腦基礎上建模，方便對體外腦晶片上形成的神經元網絡進行分析。
  • 人體細胞製成可眨眼三維人眼模型
    據英國《自然·醫學》雜誌網絡版5日報導，美國科學家利用人體細胞，製成了可眨眼的三維人眼模型，有望取代目前通用的動物模型。眾所周知，細胞是生物體結構和功能的基本單位。而此次，美國賓夕法尼亞大學的一個科學家團隊，通過模擬人眼最外層的幾何學結構和細胞組成，開發了一個3D眼表模型。研究團隊先將來自角膜和結膜的組織細胞放在氣—液界面中創建一個眼表，再將眼表放入平臺裡培養，讓它接觸淚液和能模擬自發眨眼行為的人工水凝膠眼瞼。利用該平臺，該團隊成功模擬了蒸發過強型乾眼症，並測試了一種研究藥物的治療效果。
  • 紐約時報》兩萬字長文,深度剖析谷歌大腦簡史
    《紐約時報》刊文，記者Gideon Lewis-Kraus深入谷歌大腦，從團隊建立開始，闡述他們如何用神經網絡改變谷歌翻譯這一谷歌重要產品。
  • 製造機器魚:科學家模擬魚類運動機制
    從實用性和美觀的角度，製造一條能遊泳的機器魚是個不錯的主意；而且，它很可能將幫助我們在外星球的海洋中尋找外星生命。　　幸運的是，科學家正在逐漸接近目標。近日，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院的物理工程師團隊展示了一項測定和模擬魚類遊泳的新技術，他們的研究內容發表在《混沌》（Chaos）雜誌上（《混沌》是一本頂尖數學期刊，刊登非線性動力學和非線性物理學上具有重要原創性的論文）。研究揭示，魚類的遊泳比我們原本想像的複雜得多。
  • 大腦晶片構建模擬神經元文化,將帶來什麼?
    大腦晶片構建模擬神經元文化，將帶來什麼？近日，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的多學科科學家團隊開發了一款三維「晶片大腦」（brain-on-a-chip），它能夠捕獲體外培養活體腦細胞的神經活動，並提出了一種建模交互神經元群體及其網絡結構的方式。簡單來說，就是構建在晶片上培養腦細胞的模型。
  • 陳根：大腦晶片構建模擬神經元文化，將帶來什麼？
    近日，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的多學科科學家團隊開發了一款三維「晶片大腦」（brain-on-a-chip），它能夠捕獲體外培養活體腦細胞的神經活動，並提出了一種建模交互神經元群體及其網絡結構的方式。簡單來說，就是構建在晶片上培養腦細胞的模型。
  • 《紐約時報》兩萬字長文,深度剖析谷歌大腦簡史
    當時《紐約時報》報導，感知機項目自助者美國海軍期望它「能夠走路、說話、會看、會寫，會生產（reproduce）自己，意識到自己的存在」。結果這些感知機基本都沒實現。馬文·明斯基（Marvin Minsky）在 1954 年普林斯頓的論文中以神經網絡為研究主題，但他對 Rosenblatt 關於神經範式所做的誇張說法已經厭倦了。（明斯基也在爭取國防部的研究資金。）
  • 攀爬《紐約時報》大樓的美國人被困5樓外牆,被紐約警方當場逮捕
    10月15日， 周四晚上，紐約警方逮捕了一名美國男子，此前有人看到他攀爬爬曼哈頓《紐約時報》大樓的外牆。在街道上拍攝的監控視頻顯示，這位攀爬者在《紐約時報》大樓的一個角落向上爬了幾層樓。
  • 模擬大腦:細胞和電路融合成趨勢
    由小鼠神經元製成的人工智慧計算設備模型「Koniku Kore」擁有「嗅覺」，能識別出爆炸物以及疾病標記物的氣味。> 　　今日視點 　　據英國廣播公司（BBC）網站近日報導，在坦尚尼亞舉辦的全球TED大會上，奈及利亞科學家艾加比展示了一款由小鼠神經元製成的人工智慧計算設備模型
  • 《紐約時報》這篇抹黑中國的報導,美國網民發覺不對了……
    其次，《紐約時報》這篇污衊中國的報導還迴避了一個更本質的問題，即中國作為疫情最先出現的國家，在經歷了幾萬人感染，數千人死亡的巨大犧牲，才終於將這個全新病毒所引發的疫情控制住，並將我們的戰疫經驗分享給全世界時，《紐約時報》所來自的美國和西方世界卻在輕視中國發出的警告。
  • 科學家在「3D 晶片大腦」上建模，還要複製人體系統
    帶著這一問題，科學家們嘗試了很多替代動物實驗的方案，比如開發新算法、三維體外模型、利用魚胚胎（魚胚胎不屬於動物）進行毒性測試甚至是採用頗具爭議的人體實驗。不僅如此，他們還在這款三維晶片大腦基礎上建模，方便對體外腦晶片上形成的神經元網絡進行分析。很明顯，這是替代動物實驗的一個好方法，研究人員也表示：體外模擬人腦實現了重大進展。
  • 不是三維?科學家發現人的大腦裡可能有11個維度!
    我們總習慣於以三維的視角看世界，所以也想當然的認為我們的大腦結構也是三維的。但是一項研究發現，人的大腦裡可能存在 11 個維度。這個說法是瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）神經科學家亨利·馬克姆提出的，他主持了藍腦計劃研究。相信很多人都看過人腦效果圖，裡面錯綜複雜的分布著蜂窩網絡。
  • 每年可賺近20億美元,《紐約時報》怎樣做到的?
    2013年普立茲獎獲獎作品《雪崩：特納爾溪事故》（Snow Fall：The Avalanche at Tunnel Creek）就是一個例子，該作品報導了16名滑雪愛好者遭遇雪崩的經過，在報導技術上顛覆了傳統報紙的新聞呈現方式，把文字、音頻、視頻、動漫、數位化模型（DEM）、衛星模型聯動等加以集成，發表在《紐約時報》的網站上。
  • 為什麼刊登饒毅文章的《紐約時報》被說成「傷害美國」?
    中新網7月25日電 題：為什麼刊登饒毅文章的《紐約時報》被說成「傷害美國」？　　作者陳念　　「我在武漢的親人活了下來，我的叔父卻因疫情死在了美國」——近日《紐約時報》評論版刊發了中國海歸學者饒毅的署名文章，由美國叔父的意外之死引入，講述大時代下中美兩地家族成員的分離聚合，道盡「一場疫情，同一家族，不同國家，陰陽兩隔」的人間悲涼。這個故事被認為映射了中美兩個大國的真實變遷，引人深思。
  • 《紐約時報》刊登中國學者饒毅文章後,遭到美國一群人瘋狂攻擊
    來源：環球時報新媒體近日，中國知名科學家饒毅在美國《紐約時報》上撰文，通過講述他在美國紐約的一位叔叔因新冠肺炎不幸病逝的遭遇，並對比了他在中國武漢的親屬平安無事的情況，抨擊了美國川普當局在新冠肺炎疫情中的糟糕表現。
  • 科學家在實驗室培育迷你大腦,研究人類大腦神秘結構
    新浪科技訊 北京時間10月24日消息，據國外媒體報導，研究人員在實驗室培育人類、猿類和猴子的大腦組織，從而了解人類大腦的與眾不同之處，在某些方面，人類大腦是獨一無二的，因為人類智力較高，是地球上唯一能夠從事複雜行為、具有高等思維能力的動物，例如：製造宇宙飛船進入太空、網絡社交平臺上發布表情包等。然而一些問題仍然困擾著科學家，為什麼人類與近親物種存在差異？
  • 科學家首次解析腦神經突觸高精度三維結構
    ，解析了首個完整腦神經突觸在分子水平的高精度三維結構，研究成果發表在《自然—神經科學》上，這項工作對於探索腦神經系統的工作原理，破譯大腦運轉密碼具有重要意義。對於神經科學中重要的模型動物斑馬魚以及小鼠的腦圖譜解析，中國的科學家做出了世界前列的工作。以目前的技術，完成一隻鼠腦的成像通常需要幾天的時間。