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

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胞，建立了精準的神經(jīng)細胞間相互作用模型。此集成平臺能夠精確地操控單個(gè)細胞，這些細胞既可以被電極捕獲，也可以在電極之間轉移。每個(gè)電極都可以獨立控制，同時(shí)也可以記錄相應的神經(jīng)細胞電生理信號。我們還研究了電極微孔的直徑和深度、細胞的幾何形狀以及控制信號的電壓幅值等多個(gè)參數對細胞操控的影響，進(jìn)一步優(yōu)化細胞操控時(shí)的環(huán)境因素。利用293T細胞和神經(jīng)細胞對芯片的功能進(jìn)行評估，觀(guān)察電場(chǎng)對細胞的影響。在研究的最后，我們記錄了從人類(lèi)誘導多能干細胞(iPSC)中分化出來(lái)的單個(gè)神經(jīng)元和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )的電生理信號，并對其進(jìn)行了比較，以證明芯片的功能。所獲得的初步結果將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的自然生長(cháng)模型擴展到基于單細胞的可控神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )水平，滿(mǎn)足了引入更精細的細胞間相互作用模型的期望。

圖1.細胞操控裝置及原理:(a)裝置示意圖，主要包括具有微流控結構的MEA芯片。細胞被捕獲并在電極之間轉移以實(shí)現精確的操控；(b)細胞捕獲過(guò)程的模擬結果。細胞從左側釋放，以10μm/s的流速移動(dòng)。隨后，電極利用介電泳力將細胞捕獲。

相較傳統MEA芯片記錄神經(jīng)連接，我們的平臺具有獨特優(yōu)勢，能構建定制化、可控的、基于單細胞的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )，并實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)神經(jīng)元的精確記錄。傳統MEA芯片上的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )是隨機、不可預測的，導致可重復性較低?？傮w而言，我們的工作結合了單細胞操控技術(shù)和MEA神經(jīng)元記錄的能力，不僅改善了電極-細胞間的耦合，提高了信號記錄質(zhì)量，還可創(chuàng )建定制的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行記錄、刺激和訓練。這種綜合性方法為神經(jīng)科學(xué)研究提供了強大而靈活的工具，有望推動(dòng)對大腦高級功能廣泛而深刻地理解。