2020 年初，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究成果發(fā)表于專注于生物技術(shù)、微量化學(xué)、納米技術(shù)的學(xué)術(shù)期刊 Lab on a chip 上，論文題為A flexible 3-dimensional microelectrode array for in vitro brain models(一種用
動物實驗何時能被取代?
帶著這一問題，科學(xué)家們嘗試了很多替代動物實驗的方案，比如開發(fā)新算法、三維體外模型、利用魚胚胎(魚胚胎不屬于動物)進行毒性測試甚至是采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(fā)一款 3D 芯片大腦(brain-on-a-chip)，捕獲體外培養(yǎng)活體腦細(xì)胞的神經(jīng)活動。不僅如此，他們還在這款三維芯片大腦基礎(chǔ)上建模，方便對體外腦芯片上形成的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進行分析。
很明顯，這是替代動物實驗的一個好方法，研究人員也表示：
體外模擬人腦實現(xiàn)了重大進展。
三維芯片大腦
2020 年初，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究成果發(fā)表于專注于生物技術(shù)、微量化學(xué)、納米技術(shù)的學(xué)術(shù)期刊 Lab on a chip 上，論文題為A flexible 3-dimensional microelectrode array for in vitro brain models(一種用于體外腦模型的柔性三維微電極陣列)。
為什么是三維，不是二維?
目前而言，神經(jīng)動作電位的電生理記錄一般要通過二維微電極陣列(multi-electrode array，MEA)，這是一種既常見又可信的評估神經(jīng)功能、網(wǎng)絡(luò)通信、生化制劑反應(yīng)的方法。相比之下，三維體外神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)用于測量電生理活動的情況較少。
不過，「三維體外模型」是一種研究細(xì)胞 - 細(xì)胞、細(xì)胞 - 細(xì)胞外基質(zhì)相互作用的系統(tǒng)。想研究這之間的相互作用，就要利用組織環(huán)境中的空間、機械、化學(xué)線索，而這在傳統(tǒng)的二維模型中是行不通的。
可以說，三維模型是超越二維芯片腦平臺的重要一步，因為在三維模型中，科學(xué)家們能夠更為全面地復(fù)制人腦的生理功能，也能更好地了解大腦的功能和那些對大腦產(chǎn)生刺激等影響的化學(xué)物質(zhì)。
三維柔性微電極陣列
基于此，研究團隊開發(fā)了一種三維芯片大腦(brain-on-a-chip)，即一種三維柔性微電極陣列(3DMEA)，旨在實現(xiàn)性能、便捷性以及與現(xiàn)有商業(yè)電生理儀器的兼容性。
3DMEA 可容納 256 通道的記錄或刺激，記錄動作電位峰值和脈沖活動的時間至少達(dá)到 45 天，支持?jǐn)?shù)十萬人類神經(jīng)元生長。3DMEA 包含三組陣列，每個陣列中有 80 個電極分布在 10 個柔性聚合物探針上，研究人員一次可進行三個獨立實驗，同時監(jiān)視不同位置的神經(jīng)活動。
3DMEA 大致的制作過程是：在玻璃基板上精密加工聚酰亞胺(Polyimide，綜合性能最佳的有機高分子材料之一)探針陣列，先利用機械驅(qū)動的方式將陣列整體提升到垂直位置，再依靠座鉸的塑性變形保持垂直對齊。
無創(chuàng)監(jiān)測神經(jīng)元電生理活性
為證明 3DMEA 的實用性，研究人員將由人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(hiPSC)衍生的神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞(astrocytes)作為培養(yǎng)物包裹在基于膠原的水凝膠中，并接種到 3DMEA 上，使懸浮細(xì)胞在基質(zhì)中得到培養(yǎng)。
大約 2 周后，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)生長并成熟，研究人員能夠以半小時為增量，記錄 3DMEA 中細(xì)胞的電生理活性，為每個細(xì)胞創(chuàng)建獨一無二的高分辨率電極位置圖。
不難看出，3DMEA 平臺創(chuàng)建的意義在于無創(chuàng)監(jiān)測人類三維神經(jīng)元培養(yǎng)物的電生理活性。研究人員表示：
從 3DMEA獲得的數(shù)據(jù)可以為科學(xué)研究提供信息。在不需要動物模型的情況下，可為暴露于化學(xué)生物制劑、模擬疾病感染、評估環(huán)境毒性或研發(fā)藥物的研究人員制定對策。同時，我們致力于在 3DMEA上復(fù)制人體系統(tǒng)，希望未來研發(fā)的設(shè)備更適用于人類，甚至取代動物測試。
創(chuàng)建時間隨機塊模型
幾個月后，在3DMEA 的基礎(chǔ)之上，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學(xué)家們又開發(fā)了一種對在3DMEA上逐漸生長、成熟的神經(jīng)元群落的活動和結(jié)構(gòu)建模的方法，旨在幫助廣大科研人員攻克影響大腦的毒素或疾病(如癲癇病)。
簡單來講，研究團隊開發(fā)了一種統(tǒng)計模型，專用于分析在體外腦芯片上植入的腦細(xì)胞形成的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。
其實現(xiàn)過程為：首先通過 3DMEA捕獲、收集神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在交流時產(chǎn)生的電信號，然后將數(shù)據(jù)作為教學(xué)工具，將圖論中標(biāo)準(zhǔn)的隨機塊模型(SBM，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)群體結(jié)構(gòu)建模的重要工具)與一個包含機器學(xué)習(xí)組件的高斯過程(Gaussian Process, GP)概率模型相結(jié)合，時間隨機塊模型(T-SBM)得以創(chuàng)建。
相比以前的方法，T-SBM 的獨特之處就在于對神經(jīng)元生長的時間動態(tài)建模。借助這一方法，研究人員可以了解神經(jīng)群落的結(jié)構(gòu)、進化方式以及在不同實驗條件下結(jié)構(gòu)的變化方式。
T-SBM 已被用于三個數(shù)據(jù)集——培養(yǎng)復(fù)雜性、細(xì)胞外基質(zhì)(ECM，生長在細(xì)胞表面的蛋白質(zhì))和來自大腦不同區(qū)域的神經(jīng)元。
就拿第一個數(shù)據(jù)集的實驗結(jié)果來講，研究人員查看對比了：
僅包含神經(jīng)元細(xì)胞的培養(yǎng)物的數(shù)據(jù);以及
將神經(jīng)元與其他類型腦細(xì)胞混合的培養(yǎng)物的數(shù)據(jù)。
研究人員發(fā)現(xiàn)，后者更接近真實的人腦數(shù)據(jù)。所以結(jié)論是：在包含其他細(xì)胞類型的環(huán)境中生成的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜，隨時間的推移它也會更加復(fù)雜。
實際上，這一結(jié)果也正是研究人員預(yù)測之中的，不難看出 T-SBM 能夠準(zhǔn)確地捕獲神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)隨時間變化而產(chǎn)生的差異。
關(guān)于LLNL
正如前文所述，3DMEA 平臺和 T-SBM 模型的設(shè)計出自美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)。
作為美國著名國家實驗室之一的 LLNL隸屬于美國能源部國家核安全局(NNSA)，1952 年(冷戰(zhàn)白熱化階段)由諾獎得主、加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)教授 Ernest Orlando Lawrence 和氫彈之父、理論物理學(xué)家 Edward Teller 共同建立。
在 LLNL 官網(wǎng)可以看到，其主要責(zé)任是研發(fā)包括核武器在內(nèi)的美國國防科技，確保美國核力量的安全和可靠性。然而 LLNL 的任務(wù)不限于此，從核擴散、恐怖主義到能源短缺、氣候變化等，都屬于LLNL 的關(guān)注領(lǐng)域。
在LLNL 眾多的科研碩果之中，最為出名的便是 6 種化學(xué)元素(113-118 號)的發(fā)現(xiàn)。
2012 年，LLNL 還曾與 IBM 宣布共同創(chuàng)辦名為 Deep Computing Solutions 的公司，旨在為企業(yè)提供高性能的計算能力。
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