3D µEFPocket for Multimodal Communications with Brain Organoids
本文介绍了一种名为 µEFPocket 的共形超薄微流控生物界面，该界面由聚对二甲苯 C 制成，能够实现人类大脑类器官中化学与电刺激的同时、高分辨率时空控制，以及光学与电信号的同步记录，从而克服了 3D 复杂性的挑战，以促进多模态功能分析和闭环研究。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
想象一个在实验室培养皿中生长出的微小、活性的类人脑细胞球体。科学家们称之为“类器官”。它们不是完整的大脑，但是是能够模拟真实人类神经组织如何发育、连接和反应的强大模型。多年来，研究人员一直渴望研究这些球体，以了解人类心智是如何形成的，以及像自闭症或精神分裂症这样的疾病是如何开始的，以及新药如何提供帮助。然而，研究它们就像是在戴着厚厚的耳罩在嘈ola的房间里试图倾听一场对话。类器官是柔软、圆形且三维的，但科学家用来与它们交流的工具却是扁平、僵硬且刚性的。当研究人员尝试用传统设备接触这些脆弱的球体时，他们往往会错过曲面、损坏组织，或者不得不向整个球体注入化学物质，这使得无法观察到大脑的哪个特定部分正在做出反应。他们需要一种方法，能够温柔地包裹住这些生命球体，以极高的精准度与它们对话，并在不破坏其脆弱环境平衡的情况下观察其变化。
现在，一组研究人员开发出了一种改变我们与这些活体大脑模型互动方式的解决方案。他们创造了一个名为微电流流体口袋（microElectroFluidicPocket，简称 µEFPocket）的装置。把它想象成一个微小的、柔韧的囊袋，由超薄、具有生物相容性的塑料制成，这种塑料对生物组织是安全的。这个囊袋旨在覆盖在人类大脑类器官之上，像一只柔软的手套一样包裹住它的曲面。在这个囊袋内部，包含着微小的、肉眼看不见的通道和电线，它们全部构建在一个单一且无缝的薄片中。设计的精妙之处在于它能够向类器官表面的一个非常特定的位置——精确到比一粒沙子还小的区域——输送化学物质，同时发送电信号来刺激细胞并记录细胞如何响应。至关重要的是，该装置是透明的，使科学家能够使用强大的显微镜实时观察细胞在这些精确输入下如何“亮起”。
研究人员使用类似于制造计算机芯片的过程来制造这些装置，但加入了一个转折。他们使用了一种名为 Parylene C 的材料，这是一种被批准用于医疗植入物的薄且柔韧的聚合物。通过层叠这种材料并利用光在其中蚀刻出图案，他们在扁平的晶圆上创建了一个复杂的微型管道和电极网络。一旦装置准备就绪，它就会从扁平的表面释放出来。由于设计中包含了特定的、预设的弱点和柔性铰链，这个扁平的薄片在处理时会自然地折叠成一个三维口袋。这种折叠过程不会损坏内部脆弱的通道。结果是，该装置可以被轻轻地放置在脑类器官上，完美契合其形状，而无需挤压组织，也不需要任何胶水来固定。类器官可以多次插入和取出，即使在扭曲或弯曲时，装置仍能保持密封且功能完好。
为了测试这个新工具是否奏效，科学家们将人类大脑类器官放入口袋中并开始进行实验。他们想要观察自己是否能像指挥家控制整个管弦乐队那样，精准地控制脑细胞，而不是仅仅对着整个群体大喊大叫。在一次实验中，他们使用该装置将谷氨酸（一种能激发脑细胞的化学物质）爆发式地输送到类器官的一个微小区域。在过去，添加这种化学物质通常意味着将其混合到整个液体浴中，导致整个类器官同时产生反应。有了这个新口袋，化学物质仅从表面的一个微小开口处释放。研究人员通过显微镜观察到，只有直接位于开口下方的细胞“亮起”了，而类器官的其他部分则保持平静。他们甚至可以在几秒钟内切换化学物质的开关，从而创造出在神经网络中传播的受控波动的脉冲活动。
团队还测试了该装置处理不同类型交互的能力。他们展示了该口袋可以快速、剧烈地喷射化学物质，然后立即将流体吸回，从而防止化学物质扩散得太远。这使得他们能够刺激一小簇细胞（大约是一个单神经元群的大小），而不影响它们的邻居。在另一项测试中，他们将这种化学控制与电刺激相结合。他们通过装置发送一个微小的电脉冲来唤醒一组特定的细胞，然后观察这个信号如何在类器官的其他部分传播。该装置成功地在记录细胞电活动的同时，捕捉到了它们的化学反应图像。这种双重能力证明了该装置可以作为一个双向通道，既能向脑组织发送指令，又能倾听其响应，同时还能保持显微镜下的清晰视野。
这项工作的意义在于，它解决了一个长期存在的神经科学问题：即无法在高精度下进行三维的人类大脑研究。以前的工具要么太硬无法环绕类器官，要么太粗略无法针对特定区域。这个新平台提供了一种方法，可以以前所未有的细节水平来绘制大脑的布线图。通过能够刺激大脑的一个微小部分并观察其涟漪效应，科学家现在可以开始理解大脑的不同区域是如何通信以及它们如何适应变化。该装置具有可扩展性，并且可以大量制造，这表明这种方法可以成为测试新药或研究大脑疾病如何发展的标准工具。它开启了一个新时代，在这个时代中，研究人员不再仅仅是遥远的观察者，而是成为了精准的合作伙伴，温柔地引导并观察人类神经发育过程中那场复杂的舞蹈。
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