由西北大學、雪莉·瑞恩能力實驗室和伊利諾伊大學芝加哥分校(UIC)的研究人員領導的一個科學家團隊開發出的新技術，有望增加對大腦如何發育的理解，並為修復神經創傷和神經退行性疾病後的大腦提供答案。他們的研究是第一個將最複雜的三維生物電子系統與高度先進的三維人類神經培養相結合的研究。其目標是實現對人類大腦電路如何在體外發展和自我修復的精確研究。

該研究也是3月19日出版的《科學進展》雜誌的封面故事。

該研究中使用的皮質球體，類似於”迷你大腦”，來自人類誘導的多能幹細胞。利用團隊開發的3-D神經接口系統，科學家們能夠創建一個專門為研究迷你大腦量身定做的”盤中迷你實驗室”，並同時收集不同類型的數據。科學家們加入了電極來記錄電活動。他們添加了微小的加熱元件，以保持大腦培養物的溫度，或者在某些情況下，故意使培養物過熱以給它們施加壓力。他們還加入了微小的探針–如氧氣傳感器和小型LED燈–來進行光遺傳學實驗。例如，他們將基因引入細胞中，使其能夠使用不同顏色的光脈衝控制神經活動。

這個平台可以使科學家能夠在不直接涉及人類或進行侵入性測試的情況下，對人體組織進行複雜的研究。理論上，任何人都可以捐獻有限數量的細胞（如血液樣本、皮膚活檢）。然後，科學家可以對這些細胞進行重新編程，以產生一個微小的大腦球體，與人的基因身份相同。作者認為，通過將這項技術與使用人類幹細胞衍生的大腦培養物的個性化醫學方法相結合，他們將能夠更快地收集洞察力，並產生更好的新型乾預措施。

“這項研究推動的進展將為我們研究和理解大腦的方式提供一個新的前沿，”Shirley Ryan AbilityLab的Colin Franz博士說，他是該論文的共同主要作者，領導了皮質球體的測試。”現在，三維平台已經被開發和驗證，我們將能夠對神經損傷恢復或與神經退行性疾​​病作鬥爭的患者進行更有針對性的研究。”

西北大學博士後研究員、共同第一作者Yoonseok Park補充道：”這只是一類全新的小型化、三維生物電子系統的開始，我們可以構建這類系統來擴大再生醫學領域的能力。例如，我們的下一代設備將支持形成從大腦到肌肉的更複雜的神經迴路，以及像跳動的心臟這樣越來越動態的組織。”

目前用於組織培養的電極陣列是2D平面的，無法與整個自然界中復雜的結構設計相匹配，例如在人類大腦中發現的電極陣列。此外，即使系統是3-D的，也要將一種以上的材料納入一個小的3D結構中，這是非常具有挑戰性的。然而，隨著這一進展，一整類3D生物電子器件已經為再生醫學領域量身定做。

“現在，有了我們的小型、柔軟的3D電子器件，終於有能力構建模仿人體中復雜的生物形狀的設備，提供更全面的理解，”西北大學的約翰-羅傑斯說，他領導了使用類似於電話和計算機中的技術的技術開發。”我們不再需要犧牲功能來實現與我們的生物學接口的最佳形式。”

下一步，科學家將利用這些設備更好地了解神經系統疾病，測試具有臨床潛力的藥物和療法，並比較不同的患者衍生細胞模型。然後，這種理解將使我們能夠更好地掌握個體差異，這些差異可能是神經系統康復中所看到的結果的巨大差異的原因。

“作為科學家，我們的目標是使實驗室研究盡可能地與臨床相關，”Franz博士實驗室的研究助理Kristen Cotton說。”這個三維平台為再生神經康復醫學的新實驗、新發現和科學進步打開了一扇門，而這些都是以前從未實現過的。”