阿尔茨海默病患者的神经元。
你可能没有意识到，但在任何特定时刻，你的大脑都在进行着数十亿次的同时对话（不，我说的不是那些声音）。我当然指的是你的神经元之间的对话——正是这种持续不断的神经元“喋喋不休”，让你能够移动四肢、学习、记忆和感受疼痛。每当我们经历一种新的感觉或形成一段记忆时，数百万个电信号和化学信号就会通过密集的轴突网络传播，并从一个突触跳到下一个突触，建立新的神经元连接或加强现有的连接。它们不断变化——根据大脑如何感知和处理新的信息，与其他神经元形成和重塑关联。尽管这些神经元之间的“对话”对于我们理解大脑功能至关重要，但对科学家来说，它们在很大程度上仍然是个谜。单个神经元究竟在“说什么”？这些电信号和化学“信息”又是如何转化为行动、记忆或一系列其他复杂行为的呢？为了帮助解读这些“对话”，由生物工程师Naweed Syed领导的卡尔加里大学研究团队
。他们的想法是让脑细胞与毫米大小的芯片“对话”，然后通过计算机接口让芯片与科学家对话。Syed的团队在2004年展示了将神经元网络融合到微芯片上的可能性
当时他们创造了最初的“芯片上的大脑”，这是同类中第一个仿生混合技术。神经芯片刺激细胞，由此产生的“喋喋不休”——离子通道和突触末端层面的神经元活动——可以通过计算机记录。当时，Syed和他的同事利用这些芯片窃听蜗牛神经元，这些神经元较大（比人类神经元大4到10倍），因此比其他动物脑细胞更容易培养。新版本也依赖蜗牛细胞，但它是自动化的——这一重大改进意味着几乎任何人都可以学习如何在上面正确培养细胞。此外，它们提供更高的分辨率和更高的准确性。最初的神经芯片只允许科学家监测两个脑细胞之间的“喋喋不休”，而新的改进模型现在允许他们监听整个网络并捕捉所有微小的神经元交流。除了让研究人员前所未有地接触大脑最深层的工作原理之外，希望这项技术将为治疗帕金森氏症等神经退行性疾病的新药和通过直接与大脑通信来更好地模拟正常人体运动的先进假肢铺平道路。在未来几个月，Syed和他的团队计划在他们的芯片上培养一组癫痫患者的神经元，以研究细胞的功能障碍活动。患有癫痫的人经常遭受癫痫发作的折磨，这是由异常和过度的神经元“喋喋不休”引起的。通过深入研究引发这些异常信号的缺陷离子通道，Syed相信他的芯片将为该疾病提供关键的见解，并带来更有效的治疗。如果证明成功，同样的模型可以应用于其他脑部疾病，最终消除直接在患者身上测试药物的需要——或者至少在进入患者之前提供一个良好的初步研究——从而大大加快研究和开发的速度。这与“芯片上的肺”的原理相同
科学家希望这能带来新的药物测试方案，从而消除对动物受试者的需求。这些技术的吸引力显而易见。每个人都会支持更快的药物开发周期和更精准的治疗理念，特别是如果这意味着在此过程中不会对人类或动物造成伤害。几年后，随着这些神经芯片变得更加复杂和普及，它们将极大地推动对抗脑部疾病的斗争，脑部疾病是医学上一些最棘手的难题。
图片：耶鲁大学
