伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的研究人員成功利用干細(xì)胞工程化活體生物混合神經(jīng)組織，開發(fā)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的3D模型，希望能更好地了解大腦以及這些網(wǎng)絡(luò)是如何工作的。
第一作者格爾森帕甘-迪亞茲-迪亞茲將生成的組織比作計算機(jī)處理單元，它為今天的超級計算機(jī)提供了基本原理。帕甘-迪亞茲是格蘭杰理工學(xué)院生物工程系拉希德巴希爾教授的研究生。巴希爾也是該學(xué)院的院長?！澳軌蛐纬捎缮窠?jīng)元組成的三維組織，使我們能夠開發(fā)用于藥物篩選或生物計算機(jī)處理單元的組織模型，”帕甘-迪亞茲說。
從真人身上學(xué)習(xí)大腦具有挑戰(zhàn)性，但通過使用體外3D模型來了解這些網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有望為研究人員提供一種新的工具，以更好地了解它們的工作原理。這些模型將能夠幫助理解異常的形成，例如阿爾茨海默病等疾病的原因。
該團(tuán)隊能夠給由光遺傳學(xué)形成的神經(jīng)元組成的活組織賦予3D幾何形狀，因此它們可以被藍(lán)光激活。這些組織可以用來研究大腦中的復(fù)雜行為，以及這些組織如何與正在開發(fā)的新藥發(fā)生反應(yīng)。這也可能意味著未來將不再依賴動物來測試這些藥物。
巴希爾說：“如果我們能控制這些神經(jīng)元之間的交流方式，如果我們能利用光遺傳學(xué)來訓(xùn)練它們，如果我們能對它們進(jìn)行編程，那么我們就可能利用它們來執(zhí)行工程功能。”“未來，我們希望能夠通過設(shè)計這些神經(jīng)組織，開始實現(xiàn)類似大腦的生物處理單元和生物計算機(jī)?！?
該項目由NSF科技中心EBICS(集成細(xì)胞系統(tǒng)的應(yīng)急行為)資助，本月發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。它的靈感來自五年前開發(fā)功能性肌肉的工作，巴希爾實驗室的研究人員開發(fā)了一種生物機(jī)器人，當(dāng)受到電或光的刺激時，它可以行走。
這項新工作是由一個跨學(xué)科團(tuán)隊完成的，該團(tuán)隊由帕甘-迪亞茲、巴希爾、生物工程的卡拉拉莫斯-克魯茲、分子和細(xì)胞生物學(xué)學(xué)院的理查德薩姆、電氣和計算機(jī)工程的米哈伊爾坎德爾和加布里埃爾波佩斯庫教授以及奧努爾艾丁組成。機(jī)械科學(xué)與工程的塔赫爾塞夫教授。
在這項研究中，研究團(tuán)隊開發(fā)了可以形成不同形狀的神經(jīng)組織模擬器。該團(tuán)隊使用水凝膠和纖維蛋白來制造毫米到厘米的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)沒有剛性支撐，可以模制成許多所需的形狀。
帕甘-迪亞茲解釋說：“它是由幾十萬微米的細(xì)胞組成的束，其中包含許多基因組成與體內(nèi)組織相似的群體。“隨著我們繼續(xù)開發(fā)這些生物制造方法，我們應(yīng)該能夠捕捉到身體中發(fā)生的許多現(xiàn)象。一旦我們證明了這一點，我們將能夠模仿我們在大腦中看到的模式。證明人體外的組織和體內(nèi)的組織相似，那我們就可以一次又一次的制造?！?
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