劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 (LLNL)的工程师和生物学家开发了一种“芯片上的大脑”设备，该设备可以在三个维度上记录活脑细胞培养物的神经活动，这是对人脑外部现实建模的重大进步的身体。
LLNL研究人员在芯片实验室杂志上发表的一篇论文中 报告了3D微电极阵列(3DMEA)平台的创建，该平台使3DMEA能够使成千上万的人类神经元以3D形式存活，联网和交流。凝胶，同时使用LLNL开发的薄膜微电极阵列无创地记录其电尖峰和爆发长达45天。
研究人员说，从这种设备中获得的知识可以为科学研究人员提供科学依据，帮助他们开发对付暴露于化学或生物制剂的战斗人员的对策，为疾病或感染建模，评估环境毒素或帮助发现药物，而无需建立动物模型。
主要作者和LLNL表示：“数十年来，二维阵列已经在帮助人们理解大脑和筛选化合物的功能方面确实发挥了作用，但是其中很多平台都缺乏测量3D体积的能力。”工程师Dave Soscia。“大脑当然是3D器官，因此在3D 体外 体积中捕获网络电活动的能力 对我们来说非常重要。”
LLNL的“芯片上大脑”方法在单个设备上合并了三组阵列，每个阵列中有80个电极分布在10个柔性聚合物探针上。该设计使研究人员可以一次运行三个独立的实验，并同时监视来自不同位置的神经活动。
Soscia说，实现3D非侵入性细胞记录的关键是“激活”柔性探针，在添加任何含细胞凝胶之前，将其从其平面上抬起90度角。该方法不同于以前的3D尝试，后者涉及将探针或电极插入已经建立并聚合的神经元培养物中。
Soscia说：“这允许神经元网络更自然，有机地生长，然后我们可以捕获这种活动。” “我们希望避免破坏神经连接。”
培养大约两周后，神经元网络生长并成熟，研究人员能够以半小时为增量记录3D设备中细胞的电生理活性，从而为每个孔创建一个唯一的电极位置图，并产生高跨3D空间的网络活动的高分辨率渲染。
生物学家和合著者多丽丝·林说：“在3D工程平台上进行的每一天录制都是令人振奋的壮举，显示出人类神经元在我们类似组织的微环境中存活，生长和发育。”
研究人员说，转向3D文化模型是超越2D芯片上脑平台的重要一步，因为在3D模式下，科学家可以更全面地复制人脑的生理学和功能，以了解其功能以及化学物质或其他刺激会影响它。
首席研究员尼克·菲舍尔(Nick Fischer)表示：“我认为这确实使我们能够做一些 体外研究人员无法做到的事情，那就是在3D空间中如何组织这些网络的功能映射。” “如果您仅记录单个点或平面，那就是该3D空间中的快照。但是在这里，我们具有更高的分辨率，因为我们有更多的电极通过3D空间进行协调。我认为每个人都会对这种策略非常感兴趣，因为它为获取更多的长期，非侵入性的阅读方法打开了大门。”
菲舍尔说，这项工作源于菲舍尔和LLNL工程师伊丽莎白·惠勒(Elizabeth Wheeler)牵头的LLNL战略计划，以扩展大脑芯片设备，重点是以与当前可用的保真度，分辨率和容量相同的3D模式记录脑部文化活动2D系统。
它将继续LLNL 对iCHIP项目开发的构成人体的基于芯片的体外设备复制系统的探索 ，包括心脏，中枢神经系统(二维)，血脑屏障和外周神经系统。它还利用LLNL在为可植入且生物相容的柔性薄膜微电极阵列建立的微细加工技术方面的多年发展。
惠勒说：“将我们的微电极阵列与基于芯片的组织系统相结合，使我们能够直接测量和监测细胞对疾病和治疗方法的健康和功能，”惠勒说。
Soscia表示，尽管最大的挑战是开发可垂直驱动或提升探针而不损坏探针的设备，但这种方法使用了现成的商用组件。Soscia说，整个3D片上脑片设备的设计目的是易于制造和再现，并利用常见的，公认的技术。此外，该设备还可以与现有的商业电生理记录系统“即插即用”。LLNL已为该设备申请了专利，并希望与潜在的合作者合作以进一步开发该设备。
“这样做的方法非常适应，因为如果将来我们希望使电极更小以真正磨练并吸收单个单元的活动，那么通过简单的设计更改就可以很容易地做到这一点，”索西亚说。
研究小组表示，下一步是在相关的生物学或筛查系统中测试该设备，以了解3D模型将提供哪些其他信息。
菲舍尔说：“现在有了这个工具，我们就可以开发出更复杂的人脑实验模型，以促进基础生物学并加速治疗方法的发展。”