韓國科學家用機器人體外操控了小鼠腦神經(jīng)！不到 1 分鐘實現(xiàn)通信連接

本文作者：付靜

2020-09-29 18:32

導語：大腦功能和相關疾病領域研究的新突破。

這是一個受磁場驅動的微型機器人，動圖中它正朝著目標蹦跶。

恒定磁場下，它還能給大家表演一個轉圈圈。

韓國科學家用機器人體外操控了小鼠腦神經(jīng)！不到 1 分鐘實現(xiàn)通信連接

可能有些人會覺得，磁驅動微型機器人已經(jīng)并不罕見了，甚至有點兒平平無奇。

但是，上面這款機器人可不普通，它帶有神經(jīng)元，能通過體外方式在神經(jīng)簇之間形成并操縱神經(jīng)網(wǎng)絡。因此，為大腦功能和相關疾病的研究實現(xiàn)了新突破。

為何構建「體外神經(jīng)網(wǎng)絡」？

這款機器人由韓國腦研究所和韓國大邱慶北科學技術院（DGIST）下屬的機器人工程系、DGIST-ETH 微型機器人研究中心、腦與認知科學系共同研發(fā)。

2020 年 9 月 25 日，該團隊的論文正式發(fā)表于頂尖學術期刊《科學》子刊《科學進展》（Science Advances），題為 A magnetically actuated microrobot for targeted neural cell delivery and selective connection of neural networks（一種用于定向神經(jīng)細胞傳遞和神經(jīng)網(wǎng)絡選擇性連接的磁驅動微型機器人）。

韓國科學家用機器人體外操控了小鼠腦神經(jīng)！不到 1 分鐘實現(xiàn)通信連接

一直以來，腦科學研究者都在嘗試，希望更加深入地理解大腦的學習、記憶、運動、感覺處理和決策等功能，而大腦中這些功能的實現(xiàn)都離不開神經(jīng)連接。

要研究神經(jīng)研究，科學家們提出了一種通過化學和電生理方法進行腦功能分析的「體外神經(jīng)網(wǎng)絡」研究方法。

為什么要在體外研究甚至是操縱神經(jīng)網(wǎng)絡？

原因在于，這種方法可以在盡可能降低外部影響的前提下，在大腦目標位置進行精確的、有選擇性的神經(jīng)連接，從而測量神經(jīng)活動、確定神經(jīng)元的交流方式。當然，它也可以幫助理解受傷或功能出現(xiàn)障礙的神經(jīng)元軸突再增長。

微米級磁驅動機器人

那么，體外神經(jīng)網(wǎng)絡要如何實現(xiàn)呢？

為了形成并控制細胞神經(jīng)突生長的模式，各國科學家們都曾嘗試過了化學、物理、機械方式，而韓國腦研究所和韓國大邱慶北科學技術院（DGIST）科學家們的思路則是設計一款機器人。

當前，已有研究成果表明，由磁驅動的球形、螺旋狀和毛刺狀多孔球形微型機器人可在體內或體外實現(xiàn)靶向細胞傳遞。

但韓國研究團隊表示：

此前的研究主要集中在制造各種外形的微型機器人，并在外部電源下將細胞裝載到微機器人上。據(jù)我們所知，還沒有科學團隊報道過利用微型機器人調節(jié)神經(jīng)突排列和神經(jīng)連接的研究。

因此，他們設計了一種載有神經(jīng)元的 3D 磁驅動微型機器人，可通過外部磁場將神經(jīng)網(wǎng)絡精確傳送到兩個神經(jīng)簇之間的間隙處，再選擇性地連接神經(jīng)網(wǎng)絡。同時，細胞外動作電位通過微型機器人載有的神經(jīng)元從一個神經(jīng)簇傳送到另一個神經(jīng)簇。

據(jù)論文介紹：

我們設計的機器人具有可重現(xiàn)、可選擇和精確連接的優(yōu)勢。

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上圖 A 展示的是兩個神經(jīng)簇之間的神經(jīng)網(wǎng)絡主動構建，這一過程中主要依賴的是內置于機器人的一片高密度多級陣列芯片，這種芯片可以測量到軸突信號傳輸。

上圖 B 主要展示了微型機器人的具體尺寸——高 27μm、寬 5μm、深 2μm。

可以看到，機器人頂部有一個凹槽，側面還有翻轉指示。

C 部分展示了利用基于雙光子聚合（TPP）的三維激光光刻技術和沉積鎳（Ni，用于磁性）層、二氧化鈦（TiO2，用于生物相容性）層制備機器人的過程。

D 部分則是機器人的掃描電子顯微鏡圖像，可見這種機器人是微米級大小的。

機器人培養(yǎng)神經(jīng)元

機器人設計好了，下一步就要開始嘗試培養(yǎng)神經(jīng)元了。

實驗中：

實驗組是：機器人凹槽上小鼠顱腦神經(jīng)細胞的神經(jīng)突增長；
對照組是：玻璃基質（也就是平面）上小鼠顱腦神經(jīng)細胞的神經(jīng)突增長。

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科學家們利用免疫熒光圖像展示了兩組的神經(jīng)元凸起數(shù)量變化。

結果顯示：

實驗組（機器人）：細胞高度約 40μm；
對照組（玻璃基質）：只觀察到少量細胞。神經(jīng)突厚度約為 2-5μm，神經(jīng)元胞體厚度約為 10-20μm。

也就是說，與對照組相比，利用機器人可以成功培養(yǎng)出神經(jīng)元，在對存活率沒有顯著影響的情況下神經(jīng)突也得以增長。

研究團隊表示：

微型機器人具有在 2 周內運輸、培養(yǎng)神經(jīng)元以及以所需方向引導、連接神經(jīng)突生長的潛力。

體外神經(jīng)網(wǎng)絡新突破

在神經(jīng)元培養(yǎng)的基礎上，這款微型機器人打造了神經(jīng)網(wǎng)絡，而這一過程是通過在神經(jīng)簇陣列上對機器人施加磁場影響實現(xiàn)的。

科學家們的設計是，通過 8 個電磁線圈半球的線性疊加及其頂部的一個電荷耦合裝置（ CCD）相機產(chǎn)生強度為 20 mT 和 1.2 Hz 的磁場。

下圖中，白色虛線框表示神經(jīng)網(wǎng)絡，紅色虛線框表示機器人的目標點。

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實際上，要想實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡主動連接，一個關鍵就是將培養(yǎng)在機器人上的神經(jīng)元精確地傳遞和定位到指定位置。雖然附著在機器人上的細胞增加了額外重量，可能會影響機器人的前進，但科學家們借助磁場實現(xiàn)了精確控制——精度在幾十 μm 級別（誤差范圍約 10％）。

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