日本东北大学（Tohoku University）的研究人员利用微流体设备培育出模拟自然大脑网络的实验室神经元，表现出类似学习的可塑性。这项创新可以为研究记忆和学习提供更好的模型，从而彻底改变神经科学研究。

东北大学（Tohoku University）的科学家利用微流体设备创建了实验室培育的神经网络，模拟自然的大脑活动并实现了对学习和记忆的高级研究。

“神经元一起激发，连接在一起”这句话概括了人脑神经可塑性的原理。然而，在实验室培养皿中培养的神经元通常不遵循这些规则。相反，培养的神经元通常形成随机、非结构化的网络，所有细胞同时激发，无法模仿真实大脑中看到的有组织、有意义的连接。因此，这些体外模型只能提供有限的见解，让我们了解生命系统中的学习是如何发生的。

然而，如果我们能够创造出更接近复制自然大脑行为的体外神经元，情况会怎样？

东北大学（Tohoku University）的一个研究小组在这方面迈出了重要一步。他们利用微流体装置设计了生物神经元网络，其连接模式与动物神经系统相似。这些网络表现出复杂的活动动态，并展示了通过重复刺激进行“重新配置”的能力。这一突破性的发现为研究学习、记忆和神经可塑性的潜在机制提供了一种有前途的新工具。

该结果于2024年11月23日在《先进材料技术》杂志上在线发表。

(a) 微流体装置和细胞培养示意图。(b) 神经元网络照片。神经元由方形区域隔开，并通过微通道连接。图片来源：Hakuba Murota 等人。

在大脑的某些区域，信息被编码并存储为“神经元集合”，即一起激发的神经元群。神经元集合会根据来自环境的输入信号而改变，这被认为是我们学习和记忆事物的神经基础。然而，由于动物模型的结构复杂，因此很难用动物模型研究这些过程。

“之所以需要在实验室中培养神经元，是因为系统要简单得多，”Hideaki Yamamoto（日本东北大学）评论道：“实验室培养的神经元让科学家能够探索学习和记忆在高度受控的条件下是如何运作的。这些神经元需要尽可能接近真实的神经元。”

(a) 实验期间出现的神经元和神经元群的活动。每个灰点表示神经元的个体活动。底部的彩色线代表检测到的神经元群。(b) 属于神经元群的神经元的空间图。(c) 实验期间神经元群发生频率的变化。每个神经元群的频率在刺激前后都会发生变化。图片来源：Hakuba Murota 等人。

研究团队利用微流体装置（一种具有微小 3D 结构的小芯片）创建了一个特殊模型。该装置允许神经元连接并形成类似于动物神经系统的网络。通过改变连接神经元的微小隧道（称为微通道）的大小和形状，该团队控制了神经元相互作用的强度。

研究人员证明，具有较小微通道的网络可以维持多样化的神经元集合。例如，在传统设备中生长的体外神经元往往只表现出一个集合，而那些在较小微通道中生长的神经元则表现出多达六个集合。此外，该团队发现，重复刺激会调节这些集合，显示出类似于神经可塑性的过程，就好像细胞正在被重新配置一样。

这种微流体技术与体外神经元结合未来可用于开发更先进的模型，以模拟特定的大脑功能，如形成和回忆记忆。

参考文献：Hakuba Murota、Hideaki Yamamoto、Nobuaki Monma、Shigeo Sato 和 Ayumi Hirano-Iwata 撰写的“培养皮质网络中神经元集合的精确微流体控制”，2024 年 11 月 23 日，先进材料技术。DOI：10.1002/admt.202400894

来源： 日本东北大学

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