晶片上培養腦細胞，測試新藥，LLNL實驗室開發出3D晶片大腦

2020-09-09 機器之心Pro

機器之心報導

編輯：魔王、杜偉、小舟

新藥研發過程中，除了進行動物測試，還有其他更好的途徑嗎？近年來，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的多學科團隊試圖在晶片設備上複製人體系統，並開發出了能夠捕獲體外培養腦細胞神經活動的「晶片大腦」（brain-on-a-chip）。未來，它或許會取代動物測試。

在科學實驗中，研究人員往往首先以「小白鼠」為實驗對象。雖然是科研需要，但有人譴責這是對生命的褻瀆。此外，動物測試成本高且耗時，同時無法精確體現人類的反應。那麼有沒有其他替代品呢？

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。

LLNL 實驗室工程師與生物學家團隊成員，由左往右依次是 David Soscia、Nick Fischer 和 Doris Lam。

在一篇發表在 Lab on a Chip 期刊的論文中，LLNL 實驗室研究人員表示，他們創建的 3D 微電極陣列（3DMEA）平臺能夠維持數十萬人類神經元存活，並使它們在 3D gel 中連接和溝通。此外，使用他們開發的薄膜式微電極陣列可以在長達 45 天內無創記錄放電和脈衝。

論文連結：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/LC/C9LC01148J#!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。

該研究項目首席研究員 Nick Fischer 表示：「我們的計劃是匯集工程、生物學和計算知識，開發出一種更能代表人腦生理機能和功能的模型。而這項研究推動該領域向著這個終極目標前進。」

LLNL 實驗室致力於在晶片設備上複製人體系統，而該研究正是其系列工作的一小部分。其目標是隨著相關技術的不斷發展，研發的晶片設備更適用於人類，甚至取代動物測試。

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。

製作和建模晶片大腦

神經元被認為是大腦中神經系統向其他細胞傳遞信息的基本工作單元。神經元交流時，會產生微小的電信號，微電極可以收集這些電信號。Fischer 和他的團隊在 2016 年展開了這項研究工作，在此過程中進行了多次硬體迭代。他們設計和完善了帶有「多電極陣列」的晶片大腦設備。

LLNL 實驗室的晶片大腦示意圖。

Fischer 解釋說：「該陣列是一種培養孔中不同電極的方向，腦細胞在其上生長。隨著神經網絡的成熟，這些電極就可以收集神經元的放電信號。」Fischer 表示，這實質上正是神經元相互作用並傳遞電脈衝時發生的現象。

該晶片由一種基板構成，基板上有一個穿過多個電極的孔，電極走線通向連接器，這些連接器接入的儀器可以記錄從腦細胞中獲取的電信號。該儀器與計算機連接，因此最終可以得到每個電極的小數據窗口，從中可以觀察到電壓的升高。

Fischer 補充道，隨著時間的推移，科學家將二維晶片升級為三維設備，這也使該研究更接近人腦的真實複雜情況。Fischer 表示三維晶片能夠呈現出非常震撼的圖像。

隨著晶片大腦的發展，LLNL 實驗室機器學習組 Jose Cadena 和其他研究者建立了一個時間隨機塊模型。該模型可用於可視化和跟蹤神經元網絡在晶片上的變化。該研究想要開發出一種機制，來研究晶片上的神經元和結構在其存在過程中的變化。

Cadena 表示之前也有很多關於理解大腦快照的研究，即將大腦數據作為靜態照片。而這項研究的特別之處在於其模型是時間模型，可以研究大腦網絡隨時間的變化情況。

原始建模實驗表明，以較小的尺寸比例表示人腦活動是可行的。儘管該模型是為二維晶片大腦數據開發的，但 Cadena 證實該過程也適用於三維設備。

未來應用與實現前提

大腦活動晶片和相關模型開發獲得了眾多計算科學家、工程師和生物學家的支持。

Fischer 解釋稱：「為了促進這種 3D 晶片大腦的發展，我們需要設計一種能夠從三個維度實際監測神經元功能的晶片，但項目伊始，我們並不具備相應技術，所以必須從內部開發。為此，我們需要掌握大量的相關工程知識。」

同時還需要生物科學家團隊的助力，以了解細胞的功能以及它們如何在設備上實現生長、培育和維護。此外，計算機專家也需要開發能夠理解 Fischer 所說的正在生成的「大量數據」的算法。此外，他還指出這些算法有助於理解這類網絡的時間效應。

Fischer 稱：「開發這些複雜系統的關鍵在於擁有廣泛的專業知識。」

接下來，該模型旨在使用該模型研究對大腦功能產生負面影響的化學或生物製劑，並有興趣制定出相應的研究方案。該模型可以為預測相關治療效果助力。

此外，Fischer 稱他們正在努力研究阿片類藥物在該領域的影響，並希望開發出更多關於大腦疾病和損傷的模型。該團隊正在尋求外部資金支持，以使用 3D 晶片大腦來篩選治療方法，並創建更多用於創傷性腦損傷等疾病和障礙的神經元模型。

最後，Fischer 表示：「這些項目將永遠不會結束。我的意思是，當你確認了一件事情時，你回答了一個問題，但會有其他 10 個問題跳出來。現在我們想要探索的領域太多了。但我認為想要發展的關鍵就是這個得到計算模型補充的模型實驗系統。我認為我們已經做到了這一點。」

參考連結：

https://www.llnl.gov/news/modeling-neuronal-cultures-brain-chip-devices

https://www.llnl.gov/news/lab-researchers-develop-3d-brain-chip-device-capable-long-term-recording-neural-activity

https://www.nextgov.com/emerging-tech/2020/08/lawrence-livermore-scientists-model-neural-activity-living-human-cells-brain-chip-devices/167911/

相關焦點

  • 3D晶片大腦：在晶片上培養腦細胞，還能用來測試新藥
    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。
  • 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。
  • 晶片上數十萬神經元生長！科學家在「3D 晶片大腦」上建模，還要複製人體系統
    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
  • 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？但動物測試也面臨成本高且耗時，同時無法精確體現人類反應的局限。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？
    但動物測試也面臨成本高且耗時，同時無法精確體現人類反應的局限。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。
  • 最新發現:「晶片大腦」可用來模擬藥物對大腦影響
    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。
  • 馬斯克大腦晶片引發倫理擔憂 在動物身上測試晶片被批不道德
    【TechWeb】11月16日消息，據國外媒體報導，特斯拉CEO埃隆·馬斯克（Elon Musk）旗下腦機接口公司Neuralink研發的大腦晶片和其他大腦晶片引發了專家們的倫理擔憂。此外，在動物身上進行實驗也不道德。
  • 大腦晶片「黑科技」,已有上萬人在身體植入
    什麼是「腦機接口」「腦機接口」是指在人或動物腦（或者腦細胞的培養物）與外部設備間建立的直接連接通路，允許腦和外部設備間進行信息交換。Neuralink是專注於這一領域的明星公司，該公司一直計劃利用人工智慧技術來增強人類的能力。具體來說，Neuralink正在開發微型處理器，通過比人類的頭髮更細的細線和大腦連接起來。
  • 科學家發明出3D列印大腦晶片
    美國科學家發明出的一款3D列印大腦晶片，新的醫療手段為多種疾病的治療提供了更多可能。監測晶片方向可以實時人體數據監測，實時分析人體數據，實時提供健康關懷，實現人機互聯。該晶片可通過檢測和發射電信號來治療，治療包括癱瘓在內的神經系統疾病。目前這款晶片已經成功進行動物測試，下一步將繼續改進以用於人體。
  • 科學家製造出「晶片大腦」,為神經修復術提供新思路
    澳大利亞國立大學5月15日發布一項研究成果，該校科學家成功在半導體晶片上引導大鼠腦細胞的生長，並形成神經迴路，開發出所謂的「晶片大腦」。研究者介紹說，這項研究是在半導體晶片上布好一定結構的納米線，像腳手架一樣引導大鼠腦細胞的生長，並形成神經迴路。
  • ...快進鍵:晶片上打造的「人體器官」,正孵化出藥物研發的新興實驗場
    「如果器官晶片成熟之後，新藥在器官晶片上進行的有效性和安全性的篩選和驗證會比細胞模型有說服力，而且能部分替代動物實驗，縮短藥物臨床前研究的過程」，對於類器官晶片在整個新藥研發價值鏈上的位置，清華大學梁瓊麟教授在接受 DeepTech 採訪時如此解釋道。
  • 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
    藥物開發是一個艱巨而昂貴的過程，並且在測試新藥在人體中的安全性和有效性的臨床試驗中，失敗率仍然很高。根據目前的估計，所有被測藥物中只有13.8％表現出了最終的臨床成功，並獲得了美國食品藥物管理局（FDA）的批准。關於動物研究以及尋找替代品的問題也越來越多。
  • 前沿的生物晶片技術是生物醫藥的利器
    藥物開發：比如，有時一種藥物的作用是多方面的，基因（DNA）晶片有助於發現一種藥物的新的功能，在全基因或廣範圍篩選中卻發現該藥在另一方面的基因上有很強的抑制作用，從而開發成另一種新藥。也可應用於篩選藥物，研究開發中的藥物分子對基因的作用效果。
  • 科學家在晶片上「種植」神經元,或將推進大腦修復技術的跨越發展
    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。
  • 蘇州納米所高通量微生物培養晶片研究取得進展
    通常，微生物的液體培養篩選需要同時在數十上百個培養瓶或試管中進行。這使得整個篩選過程勞動強度大，效率較低。　　最近，中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所國際實驗室的甘明哲博士設計開發了一種用於細菌平行懸浮培養的多通道微流控晶片（圖1），可以一次進行多個細菌培養實驗。該晶片在7.5×5 cm2面積上集成32個獨立平行的細菌培養單元，每個單元的培養液需求量極少，僅為50nL。
  • Science:鑑定出導致腦細胞死亡的罪魁禍首
    他們說，這一發現潛在地為開發預防、阻止或削弱這一過程的藥物打開新的大門。相關研究結果發表在2016年10月7日那期Science期刊上，論文標題為「A nuclease that mediates cell death induced by DNA damage and poly(ADP-ribose) polymerase-1」。
  • 杭州梓銘:晶片上的分子實驗室——核酸檢測實現POCT化
    中國經濟時報記者獲悉，疫情之下，杭州梓銘基因科技有限公司（以下簡稱「杭州梓銘」）的開發團隊，連續奮戰，開發全集成核酸分析儀，將新冠檢測實現POCT化（pointof-caretesting的縮寫，意即在病人旁邊進行的臨床檢驗），將微流控晶片技術所能實現的「生物晶片上的新冠檢測」進行了工業化落地。
  • SpaceX向空間站發送科學物資：組織晶片和大腦類器官
    還允許太空人在Dragon飛船上存儲一些動力有效載荷。組織晶片Dragon飛船上的幾個有效載荷具有一種叫做「組織晶片」的獨特硬體設計，人類細胞和有機組織在該晶片支架上生長，在微重力環境下逐漸形成3D結構。研究人員可以通過觀察了解太空中該組織更多的基本生長過程，包括：老化、骨骼狀況和肌肉損失。
  • 實驗室生長的骨頭可以改變我們測試新的醫療方法
    骨-晶片上裝有微型腳手架的裝置，可用於在實驗室培養人體骨組織。測試新藥通常需要廣泛的活體測試，其中就包括大量的動物模型。然而，謝菲爾德大學領導的團隊開發的新方法是在體外開發的--完全在實驗室中--並減少了動物在研究中使用的需求。研發晶片上的器官領域的目標是在實驗室中製造包含骨、肝或肺等器官微型版本的小型設備。通過在小版本的人體器官，希望能有更高的成功率找到那些能在人類身上工作的而不是在動物模型中。
  • 多器官微流控晶片技術及其應用
    ahhednc人體不同器官或整個系統的毒性檢測是藥代動力學和藥效學研究的重要部分，傳統的二維細胞培養模式以及動物實驗取得了諸多成就，但受周期、成本、精準度、倫理等因素的限制，難以預測人體對於各種藥物的響應。研究表明：人體器官晶片技術能準確地控制多個系統參數，與傳統的毒理學動物實驗相比更能反映人體內真實情況，在新藥篩選方面更具特異性。