《Nano Letter》最新研究：在晶元上構建大腦神經網路

闡明大腦神經迴路形成過程的細胞和分子機制，是神經科學研究領域的主要挑戰之一。在大腦皮層和其他區域，神經元細胞呈現出高度有序排列，提示或許可以在大腦開始發育時，對神經細胞的生長進行引導，使其發育組裝成可控制的神經互聯網路。

神經突觸網路是大腦處理感知覺信息和學習記憶的基礎。細胞外基質中的化學和物理信號指導著神經軸突與其他細胞形成突觸連接。了解這些信號之間的相互作用，可以進一步明確大腦發育和神經功能迴路形成的機制，從而為設計生物材料和神經假體支架提供依據。

通過使用特定的外部化學或物理信號，可以控制神經元在人造基質的表面生長。神經突觸的這種指導性生長，被認為是由細胞骨架中的各種跨膜蛋白和機械敏感性離子通道介導。

然而，之前研究中所用的體外培養材料大多為微米級別，限制了神經細胞的生長形態，神經元之間能夠形成的突觸連接也十分有限。為了更好地了解影響神經元生長的基質環境，有必要使神經細胞無拘無束地生長，使其機械感應能力更自然地發揮。因此，可將培養材料縮小到納米級，以便更好地研究神經細胞對空間構型的感知等。

納米線作為一類納米級的結構材料，已被用於神經細胞的體外培養，它能夠固定神經元，引導神經軸突生長，記錄神經細胞膜內外的活動。其中，半導體納米線通過與電子電路的整合，在刺激和記錄細胞電生理活動方面有其不可取代的優勢。

近期，澳大利亞國立大學的研究人員開發了一種材料——有著微小納米線陣列的半導體晶片。納米線作為支架，能夠引導神經細胞生長，使神經細胞形成可預測的神經迴路。

該支架提供了一個小型平台，可以用來研究腦神經細胞的生長機制，神經細胞之間如何進行連接互通，以及單個神經細胞或小型神經細胞網路對外部環境刺激的反應機制。

圖 | 納米線陣列上生長的神經元和神經軸突的掃描電鏡圖像

這項研究證明了納米線沒有細胞毒性，可被用作嚙齒動物腦海馬和皮質區域神經細胞體外培養的支架。沿著垂直排列的納米線陣列，不同神經元的神經突觸能夠向各個方向生長。

納米陣列的外界機械刺激能夠使神經細胞改變相應的信號轉導通路，達到引導神經突觸生長的目的。這些因素都增加了神經元之間形成突觸連接的可能。而且，納米線陣列上生長的神經細胞網路顯示出了同步的鈣離子活性，表明了神經細胞可以通過突觸連接進行細胞間通訊。

圖 | 皮質神經元軸突或樹突的生長依賴納米線陣列的排布。虛線方塊表示納米線陣列區

該項研究中納米線陣列的使用，將為設計機器—組織界面的工程研究提供依據。結合納米線優異的光電性質，也可用於感測和刺激大腦中神經細胞活動。

利用這類納米線來操控神經元生長，將是製造納米級組織工程材料的重要一步，有利於實現再生醫學中修復腦損傷以及相關神經假體的應用。

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