為了精準(zhǔn)解碼NoN之間的聯(lián)系，西湖大學(xué)先進(jìn)神經(jīng)芯片中心提出運(yùn)用單細(xì)胞操控平臺(tái)，深入探究細(xì)胞間相互作用和細(xì)胞功能。我們通過在體外構(gòu)建可控的、基于單個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為研究大腦高級(jí)功能提供了有力的支持。這一前沿技術(shù)的結(jié)合，為解鎖大腦奧秘、拓展人類認(rèn)知邊界帶來了全新的機(jī)遇。

在本研究中，我們利用介電泳力，在微電極陣列(MEA)芯片上精確操控單細(xì)胞，建立了精準(zhǔn)的神經(jīng)細(xì)胞間相互作用模型。此集成平臺(tái)能夠精確地操控單個(gè)細(xì)胞，這些細(xì)胞既可以被電極捕獲，也可以在電極之間轉(zhuǎn)移。每個(gè)電極都可以獨(dú)立控制，同時(shí)也可以記錄相應(yīng)的神經(jīng)細(xì)胞電生理信號(hào)。我們還研究了電極微孔的直徑和深度、細(xì)胞的幾何形狀以及控制信號(hào)的電壓幅值等多個(gè)參數(shù)對細(xì)胞操控的影響，進(jìn)一步優(yōu)化細(xì)胞操控時(shí)的環(huán)境因素。利用293T細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞對芯片的功能進(jìn)行評估，觀察電場對細(xì)胞的影響。在研究的最后，我們記錄了從人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSC)中分化出來的單個(gè)神經(jīng)元和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的電生理信號(hào)，并對其進(jìn)行了比較，以證明芯片的功能。所獲得的初步結(jié)果將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自然生長模型擴(kuò)展到基于單細(xì)胞的可控神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水平，滿足了引入更精細(xì)的細(xì)胞間相互作用模型的期望。

圖1.細(xì)胞操控裝置及原理:(a)裝置示意圖，主要包括具有微流控結(jié)構(gòu)的MEA芯片。細(xì)胞被捕獲并在電極之間轉(zhuǎn)移以實(shí)現(xiàn)精確的操控；(b)細(xì)胞捕獲過程的模擬結(jié)果。細(xì)胞從左側(cè)釋放，以10μm/s的流速移動(dòng)。隨后，電極利用介電泳力將細(xì)胞捕獲。

相較傳統(tǒng)MEA芯片記錄神經(jīng)連接，我們的平臺(tái)具有獨(dú)特優(yōu)勢，能構(gòu)建定制化、可控的、基于單細(xì)胞的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)神經(jīng)元的精確記錄。傳統(tǒng)MEA芯片上的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是隨機(jī)、不可預(yù)測的，導(dǎo)致可重復(fù)性較低。總體而言，我們的工作結(jié)合了單細(xì)胞操控技術(shù)和MEA神經(jīng)元記錄的能力，不僅改善了電極-細(xì)胞間的耦合，提高了信號(hào)記錄質(zhì)量，還可創(chuàng)建定制的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行記錄、刺激和訓(xùn)練。這種綜合性方法為神經(jīng)科學(xué)研究提供了強(qiáng)大而靈活的工具，有望推動(dòng)對大腦高級(jí)功能廣泛而深刻地理解。