团队首先开发了一种体外3-D神经组织模

伊利诺伊大学香槟分校的研究人员已经成功地利用干细胞来工程化活的生物杂交神经组织，以开发神经网络的3-D模型，希望能够更好地了解大脑和这些网络的工作原理。

第一作者Gelson Pagan-Diaz-Diaz将产生的组织比喻为计算机处理单元，该单元为当今的超级计算机提供了基本原理。Pagan-Diaz是Grainger工学院生物工程系Rashid Bashir教授小组的研究生。巴希尔还是学院院长。“能够形成由神经元组成的三维组织可以使我们有能力开发用于药物筛选或生物计算机处理单元的组织模型，” Pagan-Diaz说。

在实际的人中学习大脑具有挑战性，但是能够使用体外3D模型了解这些网络如何发展，有望为研究人员提供一种新工具，以更好地了解其工作原理。这些模型将能够帮助理解异常的形成方式，例如导致诸如阿尔茨海默氏病的疾病的原因。

该团队能够为由光遗传学的神经元组成的生物组织赋予3D几何形状，因此可以用蓝光激活它们。这些组织可用于研究大脑中发生的复杂行为，以及这些组织如何与正在开发的新药物发生反应。这也可能意味着将来不再依赖动物来测试这些药物。

巴希尔说：“如果我们能够控制这些神经元之间的交流方式，如果我们能够使用光遗传学训练它们，如果我们能够对其进行编程，那么我们就有可能用于执行工程功能。” “将来，我们希望通过能够设计这些神经组织，我们可以开始实现类似于大脑的生物处理单元和生物计算机。”

在这里，一个环形的神经组织模拟物被安装在一个圆柱形的玻璃棒上，图像显示了由于组织的几何优势，在该基底上如何能够形成致密的神经延伸。图片来源：伊利诺伊大学厄本那-香槟分校生物工程系

该项目由NSF科学技术中心EBICS(集成细胞系统的紧急行为)资助，并于本月在美国国家科学院院刊上发表。它的灵感来自五年前在开发功能性肌肉方面所做的工作，Bashir实验室的研究人员在那里开发了可以在受到电或光刺激时能够行走的生物机器人。

这项新工作由跨学科团队完成，该团队由生物工程学的Pagan-Diaz，Bashir，Karla Ramos-Cruz，分子和细胞生物学学院的Richard Sam，电气和计算机工程学的Mikhail Kandel和Gabriel Popescu教授以及Onur Aydin组成。机械科学与工程专业的Taher Saif教授。

在这项研究中，研究小组开发了可以形成不同形状的神经组织模拟物。该团队使用水凝胶和纤维蛋白制造毫米到厘米级的结构，这些结构没有刚性的支架，可以模制成许多所需的形状。

“它是一捆成百上千微米的细胞，其中包含许多具有类似于体内组织的基因组成的种群，” Pagan-Diaz解释说。“随着我们继续开发这些生物制造方法，我们应该能够捕获体内发生的许多现象。一旦我们证明了这一点，我们将能够模仿我们在大脑中看到的形态。证明在人体外组织的组织类似于在体内的组织，那么我们就可以一次又一次地制造它们。”

除药物测试外，该团队对能够概括这些网络可能发展学习和记忆的方式特别感兴趣。

Pagan-Diaz强调说：“能够在体外制造这些组织模拟物，使我们能够详细表征和研究其电活动。” “由于3-D结构和形状的广泛设计规则为您提供了更多的实验自由，并为神经科学，医学和工程应用打开了新的研究途径。”

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