神经细胞体外培养靠微型机器人

大脑掌管感觉处理、运动、学习、记忆与决策等功能,这些复杂的功能仰赖神经元之间适当的连结,即有功能的突触(synapse),方能正常运作。然而要深入研究神经网络需要有更精确、灵敏的工具,来取代传统人工操作。

韩国研究团队于《科学进展》(Science Advances)期刊发表“磁力驱动微型机器人(magnetically actuated microrobot)”这项新工具。透过磁力控制的小机器能在神经细胞间精准执行指令,可望成为未来神经科学研究的利器。

以磁力控制“微米级”机器人

目前已有许多研究团队利用物理、化学或机械性方法,如使用环状与直线型网格的微模具,或藉由原子力显微镜(atomic force microscopy)探针尖端精确地接触神经突(neurite)表面的方式,于体外(in vitro)操控神经细胞。透过影响神经细胞排列方式与引导神经突生长的方向性,建构出具功能的神经突,且可选择性重建神经回路。然而,这些研究方式仍需仰赖人工操作,不易快速且精确控制神经细胞。

为突破传统人工技术的限制,南韩脑科学研究中心与大邱庆北科学技术院机器人工程学系联合开发“磁力驱动微型机器人”,以机器代替人手操作。

顾名思义,研究人员可利用旋转磁场(rotating magnetic field)控制大小仅300微米长、95微米宽、27微米高的“微型”机器人做移动。机器人表面具有宽度2微米、深度5微米的微沟槽,其尺寸与神经元的树突(dendrite)及轴突的宽度相似,以此作为引导神经突生长的模具。此种机器人是利用双光子聚合三维雷射微影技术(twophoton polymerization-based 3D laser lithography)制成,此技术应用了光起始剂(photon initiator)同时吸收两个光子时激发自由基而产生的聚合作用,将感光材料的受光作用区域透过显影过程聚合成实体结构。因为双光子聚合反应只发生在雷射光聚焦的焦点附近极细微的区域,借此特性得以制作微米级构造的物质。

用机器人做神经细胞培养

磁力驱动微型机器人起初被设计用于干细胞递输与植入,因为其微型尺寸且可精确操控的特性,可作为细胞或药物递输系统(cell/drug delivery system)的平台。最近,研究团队进一步将此机器人应用于神经科学研究,以外部磁场驱动机器人,取代传统以手工于体外培养神经细胞,大幅降低外部干扰,且能操作于人手无法触及的细微位置。研究指出,透过磁力驱动微型机器人,可于10秒内将培养的神​​经元放置于目标位置,并于1分钟内精确地导引其与欲连结的神经丛进行排列,让研究人员能快速、精确地于细微处进行研究。

研究团队利用磁力驱动微型机器人,成功培养了初代海马回神经元(primary hippocampal neuron),除了培养出的细胞具有正常的神经元型态,且细胞之间也可形成具有功能的突触,如神经元可展现自发性放电活性(spontaneous firing activity)以及传导动作电位(action potential)的等特性。

此外, 一般进行初代神经细胞培养时,会面临培养皿中同时混合不同细胞种类(如星状胶细胞、寡突胶细胞等)的情况,此情况下神经突随机生长的方向性,使得培养出的神经元缺乏像正常海马回(hippocampus)与新皮质(neocortex)中锥形神经元(pyramidal neuron)这样清楚的极性。而使用机器人进行神经细胞培养,透过机器人表面的微沟槽引导神经突生长的方向性,可让培养出的神经元更贴近活体中的情况。

开发各式尺寸的微型机器人以应用于神经细胞递输,甚至缩小至进行单突触的连接,将会是未来研究致力的方向。由于许多神经疾病肇因于神经突触间的连结异常,若能以磁力驱动机器人作为体外培养神经细胞的平台,并模拟活体中的神经回路,将有助拓展人类对神经网路的认知与神经疾病的治疗策略。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/shengwu/169.html