人類的思想源於大腦中神經元之間的信息傳遞。然而，我們對神經元之間連接的發生過程所知甚少。
為了能夠直接觀測到神經元間形成連接的過程，來自澳大利亞的研究團隊設計了一款布滿「神經元支架」的半導體晶片，使神經元可以在上面有序發育並與其他神經元形成環路。此項研究發表在近期的《納米通訊》（Nano Letters）雜誌上。
「這種『神經元支架』還遠遠達不到我們想像中的『晶片大腦』的水平，但它為科學家提供了研究神經元生長和連接的新方法，」 這項研究的領導者，來自澳洲國立大學的生物材料工程師Vini Gautam稱，「如何在實驗室中重建神經環路，一直是科學家們面臨的難題。
腦中的神經元以高度有序的方式連接並傳遞信息，但在實驗室中，體外培養的神經元只能雜亂無序的生長，如此形成的神經環路自然與腦中真實的環路相去甚遠。」
圖丨澳洲國立大學的Vini Gautam博士
「理解腦中神經環路的形成一直是神經科學領域最基本的問題之一，」Gautam說，「因為神經元間的連接是我們意識產生的結構基礎。對其發育過程和連接方式的理解，將是發明治療精神疾病新方法的關鍵。」
Gautam與她的同事Chennupati Jagadish和Vincent Daria希望創造出一種能夠引導神經元生長的新環境，並使神經元間形成類似於自然狀態的、能夠產生同步化信號的連接。
因此，他們使用磷化銦製成了納米級導線支架。「這種材料因用於製作發光二極體、太陽能電池等納米尺寸電子元件而被人們熟知。然而之前從未有人用它接通過神經元。」Gautam說道。
研究者們將納米線以方形晶格的形狀排列，每一個腳手架上接種50個左右的齧齒動物神經元，隨後將其放入培養基中生長，並對它進行觀察。
幾天後，神經元長出了神經突。在腦中，這些纖長的結構是從神經元胞體產生的突起，在末端形成分支並與其它神經元形成突觸。在納米支架上，研究人員觀測到，神經元發出分支跨過柵格的神經突，並與其它神經元形成了突觸連接。
圖 | 隨機生長的神經元
「我曾經觀察過非常多的神經元，但在它們總是生長得隨機而雜亂。」Gautam說道。「但這次我在鏡下觀察種在腳手架上的神經元時，我驚訝的發現，它們的神經突沿著直線生長，並且像柵格一樣排布得非常整齊。」
這說明神經突是在腳手架排布的方式引導下生長的。這種晶片能夠在某種程度上操控神經突生長，對研究者來說無疑是件好事。同時，神經元間自然地形成了連接，並能夠產生同步化放電——這與大腦的活動模式非常相似。
總而言之，腳手架晶片發揮的功能使它成為用於研究神經環路發育的優良工具。
研究團隊利用掃描電鏡的方式監視了神經突的生長過程，並且用鈣離子成像方法測試了神經元間功能性連接的強度。結果發現，神經元在有賴氨酸和層黏連蛋白——兩種利於細胞附著的物質——塗層的晶片上生長得最理想。
為了能夠與生理狀態下的神經環路更相似，Gautam和她的同事目前仍在不斷優化神經元支架晶片，同時在使用它研究神經環路形成的相關機制。
她希望這項發明將來能夠用於修復腦部外傷或疾病造成的神經環路紊亂，並引領腦修復術領域的發展。