一種建模交互神經(jīng)元群體及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方式

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，研究人員往往首先以小白鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。雖然是科研需要，但有人譴責(zé)這是對(duì)生命的褻瀆。此外，動(dòng)物測(cè)試成本高且耗時(shí)，同時(shí)無(wú)法精確體現(xiàn)人類的反應(yīng)。那么有沒(méi)有其他替代品呢？

來(lái)自勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的多學(xué)科科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款三維芯片大腦（brain-on-a-chip），它能夠捕獲體外培養(yǎng)活體腦細(xì)胞的神經(jīng)活動(dòng)，并提出了一種建模交互神經(jīng)元群體及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方式。

LLNL 實(shí)驗(yàn)室工程師與生物學(xué)家團(tuán)隊(duì)成員，由左往右依次是 David Soscia、Nick Fischer 和 Doris Lam

在一篇發(fā)表在《Lab on a Chip》期刊的論文中，LLNL 實(shí)驗(yàn)室研究人員表示，他們創(chuàng)建的 3D 微電極陣列（3DMEA）平臺(tái)能夠維持?jǐn)?shù)十萬(wàn)人類神經(jīng)元存活，并使它們?cè)?3D gel 中連接和溝通。此外，使用他們開(kāi)發(fā)的薄膜式微電極陣列可以在長(zhǎng)達(dá) 45 天內(nèi)無(wú)創(chuàng)記錄放電和脈沖。

該研究技術(shù)復(fù)雜度很高，不過(guò)參與的研究人員認(rèn)為，這可以為消除影響大腦功能的毒素或神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ㄈ绨d癇）提供高效的新方案。

該研究項(xiàng)目首席研究員 Nick Fischer 表示：“我們的計(jì)劃是匯集工程、生物學(xué)和計(jì)算知識(shí)，開(kāi)發(fā)出一種更能代表人腦生理機(jī)能和功能的模型。而這項(xiàng)研究推動(dòng)該領(lǐng)域向著這個(gè)終極目標(biāo)前進(jìn)?！?/p>

LLNL 實(shí)驗(yàn)室致力于在芯片設(shè)備上復(fù)制人體系統(tǒng)，而該研究正是其系列工作的一小部分。其目標(biāo)是隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，研發(fā)的芯片設(shè)備更適用于人類，甚至取代動(dòng)物測(cè)試。

Fischer 表示，這項(xiàng) 3D 芯片大腦研究的最終目的是：開(kāi)發(fā)出一個(gè)提供人類相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)簡(jiǎn)化、易復(fù)現(xiàn)、中肯的模型系統(tǒng)，更好地理解不同類型的藥物和治療方案對(duì)人腦功能的影響。

制作和建模芯片大腦

神經(jīng)元被認(rèn)為是大腦中神經(jīng)系統(tǒng)向其他細(xì)胞傳遞信息的基本工作單元。神經(jīng)元交流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微小的電信號(hào)，微電極可以收集這些電信號(hào)。Fischer 和他的團(tuán)隊(duì)在 2016 年展開(kāi)了這項(xiàng)研究工作，在此過(guò)程中進(jìn)行了多次硬件迭代。他們?cè)O(shè)計(jì)和完善了帶有多電極陣列的芯片大腦設(shè)備。

LLNL 實(shí)驗(yàn)室的芯片大腦示意圖

Fischer 解釋說(shuō)：“該陣列是一種培養(yǎng)孔中不同電極的方向，腦細(xì)胞在其上生長(zhǎng)。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成熟，這些電極就可以收集神經(jīng)元的放電信號(hào)?！盕ischer 表示，這實(shí)質(zhì)上正是神經(jīng)元相互作用并傳遞電脈沖時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象。

該芯片由一種基板構(gòu)成，基板上有一個(gè)穿過(guò)多個(gè)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(xì)胞中獲取的電信號(hào)。該儀器與計(jì)算機(jī)連接，因此最終可以得到每個(gè)電極的小數(shù)據(jù)窗口，從中可以觀察到電壓的升高。

Fischer 補(bǔ)充道，隨著時(shí)間的推移，科學(xué)家將二維芯片升級(jí)為三維設(shè)備，這也使該研究更接近人腦的真實(shí)復(fù)雜情況。Fischer 表示三維芯片能夠呈現(xiàn)出非常震撼的圖像。

隨著芯片大腦的發(fā)展，LLNL 實(shí)驗(yàn)室機(jī)器學(xué)習(xí)組 Jose Cadena 和其他研究者建立了一個(gè)時(shí)間隨機(jī)塊模型。該模型可用于可視化和跟蹤神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在芯片上的變化。該研究想要開(kāi)發(fā)出一種機(jī)制，來(lái)研究芯片上的神經(jīng)元和結(jié)構(gòu)在其存在過(guò)程中的變化。

Cadena 表示之前也有很多關(guān)于理解大腦快照的研究，即將大腦數(shù)據(jù)作為靜態(tài)照片。而這項(xiàng)研究的特別之處在于其模型是時(shí)間模型，可以研究大腦網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)間的變化情況。

原始建模實(shí)驗(yàn)表明，以較小的尺寸比例表示人腦活動(dòng)是可行的。盡管該模型是為二維芯片大腦數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的，但 Cadena 證實(shí)該過(guò)程也適用于三維設(shè)備。

未來(lái)應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)前提

大腦活動(dòng)芯片和相關(guān)模型開(kāi)發(fā)獲得了眾多計(jì)算科學(xué)家、工程師和生物學(xué)家的支持。

Fischer 解釋稱：“為了促進(jìn)這種 3D 芯片大腦的發(fā)展，我們需要設(shè)計(jì)一種能夠從三個(gè)維度實(shí)際監(jiān)測(cè)神經(jīng)元功能的芯片，但項(xiàng)目伊始，我們并不具備相應(yīng)技術(shù)，所以必須從內(nèi)部開(kāi)發(fā)。為此，我們需要掌握大量的相關(guān)工程知識(shí)?！?/p>

同時(shí)還需要生物科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的助力，以了解細(xì)胞的功能以及它們?nèi)绾卧谠O(shè)備上實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)、培育和維護(hù)。此外，計(jì)算機(jī)專家也需要開(kāi)發(fā)能夠理解 Fischer 所說(shuō)的正在生成的大量數(shù)據(jù)的算法。此外，他還指出這些算法有助于理解這類網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間效應(yīng)。

Fischer 稱：“開(kāi)發(fā)這些復(fù)雜系統(tǒng)的關(guān)鍵在于擁有廣泛的專業(yè)知識(shí)?！?/p>

接下來(lái)，該模型旨在使用該模型研究對(duì)大腦功能產(chǎn)生負(fù)面影響的化學(xué)或生物制劑，并有興趣制定出相應(yīng)的研究方案。該模型可以為預(yù)測(cè)相關(guān)治療效果助力。

此外，F(xiàn)ischer 稱他們正在努力研究阿片類藥物在該領(lǐng)域的影響，并希望開(kāi)發(fā)出更多關(guān)于大腦疾病和損傷的模型。該團(tuán)隊(duì)正在尋求外部資金支持，以使用 3D 芯片大腦來(lái)篩選治療方法，并創(chuàng)建更多用于創(chuàng)傷性腦損傷等疾病和障礙的神經(jīng)元模型。

最后，F(xiàn)ischer 表示：“這些項(xiàng)目將永遠(yuǎn)不會(huì)結(jié)束。我的意思是，當(dāng)你確認(rèn)了一件事情時(shí)，你回答了1個(gè)問(wèn)題，但會(huì)有其他 10 個(gè)問(wèn)題跳出來(lái)?，F(xiàn)在我們想要探索的領(lǐng)域太多了。但我認(rèn)為想要發(fā)展的關(guān)鍵就是這個(gè)得到計(jì)算模型補(bǔ)充的模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。我認(rèn)為我們已經(jīng)做到了這一點(diǎn)。”