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澳洲科學家用納米管在晶元上培育腦細胞

澳洲科學家用納米管在晶元上培育腦細胞

[摘要]研究人員在晶元上安裝一個納米管支架,上面放置腦細胞,加入培養液,觀察細胞生長,目的是了解大腦神經元是怎樣建立迴路的。

騰訊數碼訊(天空之城)信號從一個神經元出發,抵達另一個神經元,如是形成了人類思維。這些連接是怎樣形成的?我們所知甚少。為了了解腦信號的處理過程,澳大利亞科研人員在半導體晶元上造了一個納米管支架,它可以幫助腦細胞生長、形成迴路。最近,科研人員在《納米通訊》(Nano Letters)雜誌上介紹了新設備。

未來我們也許可以看到大腦晶元,不過科研人員開發的神經支架相去還很遙遠。澳大利亞國立大學生物材料工程師高塔姆(Vini Gautam)說,它的確可以幫助科學家了解神經元是怎樣生長的,又是如何連接的。

要在實驗室重建神經元迴路,對科學家來說一直是一個挑戰。大腦神經元的連接與溝通方式是有秩序的。但在實驗室內細胞的重建卻是隨意的,受到實驗條件的限制,迴路與真實大腦的迴路不一樣。

高塔姆說:「理解大腦神經元迴路是如何形成的,這是神經科學的一個根本問題。」連接成為人類處理信息的根本,理解連接可以幫助人類找到治療精神疾病的有效方法。

高塔姆和同事創造一個環境,引導神經元生長,讓它們建立自然、協同的連接。為了達到目標,研究團隊製造了一個納米管支架,它是用磷化銦製造的。這種半導體材料用在納米電子中,所以相當有名,比如製造LED、太陽能電池時就會用到它。高塔姆說,沒有人用磷化銦與大腦細胞建立連接。

研究人員將納米管排列成方形網格,每個支架上放置約50個嚙齒動物的腦細胞,然後加入培養液,觀察它們的生長狀況。

幾天之後,神經元生成了神經突。在大腦內部,長而薄的神經突從細胞體伸展出來,與其它神經元連接,結點就是突觸。在高塔姆的納米管支架上,神經元長出神經突,它們在晶格上擴張,通過突觸與其它細胞連接。

高塔姆說:「我以前觀察過許多神經元細胞。」不過這些神經元細胞的生長是隨意的。她還說:「這一次不同,我用顯微鏡觀察支架,發現一個驚人的現象:細胞的突觸以直線的形式排成網格。」

這是一件好事,意味著突觸的生長是可以用支架的形狀引導的,研究人員可以控制它的生長。與此同時,細胞以自然的方式連接,細胞之間的通信也是協同的,正如大腦一樣。將上述因素整合在一起,我們就可以得出一個結論:支架是一個很好的平台,可以幫助科學家研究所物神經元迴路。

研究團隊用掃描電子顯微術監控細胞的生長,用功能性鈣成像技術評估神經元的溝通效果。

現在研究團隊已經優化了支架,它可以更好模擬大腦的生理特徵,研究人員用它調查神經元迴路的形成機制。高塔姆希望他們可以最終開發出大腦假體,如果人的神經元迴路因為受傷或者疾病出現問題,可以用假體修復。

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