Large-Scale Control of Neuronal Networks In Vitro Using Perforated Microfluidic Devices

想象一下，人类的大脑就像一座繁忙且熙熙攘攘的大都市，数十亿个神经元就是其中的市民。在健康的大脑中，这些市民并不仅仅是漫无目的地游荡；他们居住在有组织的社区中，遵循特定的道路，并沿着清晰的高速公路传递信息，以处理学习、记忆或视觉等任务。

然而，当科学家尝试在实验室培养皿（体外）中培养这些脑细胞时，结果通常是一片混乱。细胞生长成一个纠缠不清、毫无结构的网状结构，每个人都在同时大声叫喊，产生了一种“超同步”的噪音，看起来或表现得都不像真实的大脑。这就像试图建造一座城市，但人们却无视街道，直接把房子盖在了公园中央。

现有工具的问题
科学家曾试图通过建造微小的引导装置来引导这些细胞，但以往的方法就像是在一座巨大的城市里只竖起了几块路标。它们只能引导极小比例的细胞，导致绝大多数细胞依然随心所欲地生长。

新的解决方案：“神经元地铁系统”
为了解决这个问题，研究人员制造了一种名为多孔微流控芯片的新型设备。你可以将这个设备想象成一个复杂的地铁系统或专门为神经元设计的多车道高速公路网络。

不同于只有寥寥几个路标，这个设备拥有一个由微型隧道（微通道）组成的完整网格，并设有许多入口（穿孔）。

• 入口： 正如地铁站有许多门供人们进入一样，该设备有一个孔阵列，允许大量的细胞同时“上车”。
• 旅程： 一旦进入，细胞就会被迫在这些狭窄的隧道中穿行。研究人员测试了不同的隧道形状，但其中一种特定设计表现得就像一条单行道，迫使神经元朝着单一且有序的方向生长。

意外的惊喜：清澈的音质
研究人员想看看这个新的“地铁系统”是否帮助组织了脑细胞，于是他们使用了一种类似麦克风的设备——微电极阵列，来倾听细胞的电信号。

他们发现了两个惊人的发现：

1. 有序的交通： 这种单行道隧道设计成功地引导了神经元向正确的方向生长，创造了一个结构化的网络。
2. 更好的音质： 纯属偶然（机缘巧合），他们发现这些隧道起到了高质量隔音设备的作用。电信号记录变得异常清晰。“静电噪声”（噪音）消失了，而神经元的“声音”（脉冲）变得更加响亮且易于辨听。这就像是隧道将一个嘈杂拥挤的房间变成了一个安静的图书馆，在这里，每一个细微的耳语都能被完美地听到。

计算机地图
由于神经元的生长方式有时会呈现出难以预测的奇特形态，团队构建了一个简单的计算机模型。你可以将其视为神经元的“飞行模拟器”。他们现在可以在计算机上运行模拟，在实际制造物理设备之前，先观察细胞在不同隧道设计下的行为。这使得他们能够利用计算机辅助设计（CAD）来更有效地规划未来的实验。

总结
本文描述了一种用于脑细胞的全新“高速公路系统”，它能引导海量细胞形成有序的模式，而以往的工具无法做到这一点。作为额外收获，该系统还让监听细胞的电信号对话变得更加容易，而且团队还创建了一个计算机模拟系统，以帮助设计未来更优越的版本。