日本和西班牙的大学合作,利用微印技术构建脑神经网络

生命科学 2018年11月30日
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日本的东北大学、东北福祉大学、早稻田大学、山形大学与西班牙巴塞罗那大学组成的一个研究小组,利用微型印章构建在培养皿内形成的神经元网络形状,成功制作了以接近生物体产生兴奋模式的神经网络。

在大脑中,多个细胞群同时活动的状态与细胞群单独活动的状态保持平衡状态,对实现信息处理至关重要。但此前一直不清楚,性质不同的两种活动状态是如何共存于一个神经回路中。

此次,研究小组利用操作活细胞构筑神经网络形状的技术,成功制作了神经回路,这种回路能表达两种活动状态共存的复杂的兴奋产生模式。而且,还通过调查该神经回路发现,拥有生物大脑中普遍存在的“模块结构”的神经回路在空间上是分离的,但在功能上比较容易整合。因此该研究小组提出了新的假设:大脑是通过保持空间上的分离性和功能上的整合性之间的均衡,形成了复杂兴奋产生模式的。

操作神经网络采用的是名为“微接触印刷”的方法。这种方法利用带有凹凸的硅树脂,把作为细胞生长支架的蛋白质转录到载玻片上,硅树脂的尺寸约为日常生活中使用的印章的百分之一(图1)。微接触印刷在细胞工程等领域已得到广泛应用,此次着眼于将其应用到了最近发现的在生物神经系统中共同存在的模块结构上。

日本和西班牙的大学合作,利用微印技术构建脑神经网络

图1:(a)转录细胞粘附支架蛋白使用的微接触印刷的模式图、(b)实验使用的硅树脂制印章、(c)印章表面形状的显微镜图像

此次研究操作的是有大约100个神经元的神经网络,这些神经元被分成4个均等模块(图2)。当然,这是非常单纯的神经回路,无论尺寸还是复杂性都远远不及人脑。但研究%小组确认了一点,即通过控制连接模块的神经纤维的数量,可以人工制作多样化的神经网络,比如整体同时兴奋的网络、模块单独兴奋的网络,以及两种状态混合的网络等(图3)。

日本和西班牙的大学合作,利用微印技术构建脑神经网络

图2:利用形状不同的印章(上图)控制模块性的神经网络(下图)

日本和西班牙的大学合作,利用微印技术构建脑神经网络

图3:通过荧光成像测量神经活动(上)和通过分析活动模式推算的功能连接性(下)

此次研究中开发的细胞操作技术有望今后作为促进理解大脑工作原理的模型系统,以及支援新药开发的医学工程元器件等使用。

文 客观日本编辑部

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