柔性器件-用于皮质球体和工程组装体的三维多功能神经接口
在神经生物学研究中，神经细胞的三维（3D）亚毫米级构造被称为皮质球体，其重要性正在迅速提高，因为这些系统在体外可再现大脑的复杂特征。人类大脑的发展进度日益依赖于使用由三维（3D）产生的生物系统的神经培养物，比如皮质的球状体，类器官，和类组装体等形式。精确监控这些和其他类型的3D生物系统的生理特性，尤其是其电生理行为，有望加深我们对与神经系统发育相关的相互作用以及异常行为和疾病状态的演变和起源的理解。尽管3D生物物体在神经发育和神经疾病模型研究方面具有巨大潜力，但是使用神经调节，传感和操纵的常规方法仍无法轻松地研究3D生物。常规的多电极阵列（MEA）技术仅以刚性，平面和2D格式存在，从而将其功能界面限制在3D培养物的小区域，通常局限于底部接触表面的区域。使用钙敏感的荧光染料和遗传编码的钙指示剂的光学技术克服了神经记录中的某些局限性，而光遗传学方法可能在刺激方面提供相关优势。但是，这些方法在时间分辨率和整个球体/类有机体表面的记录持续时间方面都存在限制。
美国西北大学John A. Rogers和Yonggang Huang课题组以及伊利诺伊大学芝加哥分校John D. Finan课题组介绍了一种3D神经接口平台的不同类型，该平台利用可逆的工程控制形状，大小和几何形状，以通过多模式参与匹配感兴趣的类动物体/椭球体。利用这些平台中最先进的平面电子和光电技术的能力，在此情况下还是一项关键的用于与神经接口相关的各种类型的高性能，高分辨率的附加独特功能。作为这些概念的扩展，复杂的框架在使用球体作为构建块来精确，确定性地形成组装体时提供了其他选择。对人类诱导的多能干细胞（hiPSC）形成的皮质球体的研究证明了这种形式的3D神经技术的所有重要方面。
图1:顺应性3D MMF作为与神经球体的接口的示意图，FEA结果和光学显微照片。（A）2D前体的组成层With the corresponding 3D MMF的倾斜分解图布局。（B）系统在最终配置中的FEA结果（C）放大视图以突出显示包括25个微电极的功能组件以及提供光学，热和电化学功能的设备。（D）圆形微电极，（E）μ-ILED，（F）热致动器和传感器（蛇形几何中的Au迹线）和（G）电化学氧气传感器。（H）具有25个电极的3D介观结构的光学图像以及根据FEA跨3D MMF和球体的最大主应变的分布。光学显微照片和相应的FEA结果是在将3D MMF轻轻包裹在球体表面周围的过程的不同阶段产生的（I）通过拉伸弹性体基板并将球体放置在中心区域中来打开3D MMF，（J）缓慢释放基板以使结构开始包围球体（K）完成发布以结束集成。
图2. 整个球体表面自发神经活动的3D时空映射。（A）封装在3D MMF中的皮层球状体的光学图像，用于电生理记录。（B）在没有微电极或互连的透明聚合物（聚对二甲苯-C）中形成的类似3D介观结构的球体的共聚焦显微镜图像（C）横跨球体表面的微电极位置的3D图示。（D）与（E）蓝框中的迹线相关的时间延迟的3D图。（E）从系统中所有25个微电极记录的代表性场电势（F）来自通道1、2和4的30个尖峰的叠加图。（G）和应用TTX导致的抑制行为。（H）在每种条件下代表2分钟的加权平均放电速率（峰值速率乘以有源电极的数量）。
图3. 与复杂的3D MMF相关的光学显微照片，FEA结果，示意图和电气测量，这些3D MMF被设计为将两个神经球体组装成一个受控的组装体。A）3D MMF中的两个神经球体的光学图像，旨在使其保持接触并测量它们的神经活动，并且（B）对应的FEA结果（沿嵌入在PI中的金线的最大主应变）。（C）在类似的3D MMF中，两个球状体的共聚焦显微镜图像，（D）功能集成的神经球体的组装图。（E）DaF 1（异步点火）和（F）在此3D MMF中安装两个椭球体
图4. 示意图，光学显微照片和与横断面和集合体中神经突桥的神经恢复相关的神经活动的3D测量。插图，光学图像和光栅图（A）在横突的神经突桥横断之前和之后（B）该横突在0 DaTr时连接该类球体的球体，（C）在2 DaTr横断后恢复。（D）神经突桥的共聚焦显微镜图像，该神经突桥形成在被神经丝（紫罗兰色）和DAPI核染色（蓝色）染色的类球体的球体之间。（E）量化两天内的同步指数和（F）在横切之前，之后和恢复之前的加权平均放电率（G）在DaTr 0、1和2上横切后的平均发射率上调和下调。
图5.使用3DMMF从皮质球体进行多峰刺激和记录的结果。（A）围绕刺激电极（编号19）的12个微电极的3D图。通过将该电极偏置到（B）5 mV，（C）10 mV和（D）50 mV的电势诱发的神经球体上的场电势幅度的3D图。（E）通过集成到3D MMF中的μ-ILED的照明引起的跨神经介质的培养基和神经球体表面的光强度的3D空间分布计算。（F）通过集成到3D MMF中的热执行器在培养基和神经球体表面上计算出的温度3D空间分布。（G）与基线行为（加热前），43°C（∆ T = 6°C）的热应力下暴露5分钟以及返回基线后相关的尖峰活动的光栅图。（H）通过热致动器（43℃）加热1小时相关的球体上的焦点热冲击响应的共聚焦显微镜图像。
图6.具有高级功能的3D MMF，如隔离的单元和阵列。A）3D MMF的有限元分析结果和光学显微照片，这些3D MMF旨在创建三角形晶格几何形状中的三个球体的集合体。（B）3D MMF，在整个4π立体角上具有完全覆盖范围。（C）具有蛇形线的3D MMF，其设计为拉伸和变形以适应所插入球体的体积增长。这些和其他3D MMF的阵列对于高通量筛选和/或大小选择（D）具有相同或不同的特征尺寸（E）具有同时监视多达16个椭球的能力非常重要。
此处报道的工作建立了通用的3D神经接口在皮质球体，类动物体和类装配体的基础研究中具有独特的功能。大多数神经系统疾病例如小头畸形和神经退行性疾病，例如帕金森氏症和阿尔茨海默氏病是由于大脑结构正常的异常功能引起的。这样的培养系统已经为我们对神经发育障碍的理解做出了很大贡献。类器官和类装配体具有重现这些功能异常的潜力，并且此处介绍的3D神经技术平台将比利用传统方法所能实现的潜力更加详细和高效地利用这种潜力。集成光源可以在多种类型的共培养物中激发单个基因改造的细胞类型中的活性。加热元件可以产生热应力的空间异质模式，该模式可以叠加在文化的空间异质细胞和区域特性上。跨3D的微电极阵列可以唤起和/或量化所有这些情况下的电生理网络表型。微机电系统的3D集成(用于力致动和测量)，微流体网络(用于输送药剂和相邻流体的采样)，生化传感器(用于监视生物标志物在组织表面之间的运输)，脚手架(用于改善营养素灌注以维持)的发展将带来更多机遇。深层细胞和具有穿透力的多功能探针，用于与发生基本神经动力学的这些表面下方的目标深度相接。选择的广度表明在现代神经科学的广泛研究计划中使用这些3D MMF具有广阔的前景。未来，我们期待这些不同的方法能组合出更复杂的组织-仿生类器官，为研究人类(或其他生物)组织和器官，以及病理过程提供无限趋近真实的模型。
【参考文献】
https://advances.sciencemag.org/content/7/12/eabf9153
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