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3D打印棒状神经单元用于体外构建神经网络

3D打印棒状神经单元用于体外构建神经网络

供稿人:郝志岩、王玲 供稿单位:机械制造系统工程国家重点实验室  发布日期:2019-12-24
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在大脑中,三维神经网络(如海马前额通路、杏仁核途径和视觉通路)是由数条排列的神经纤维连接各种独立的区域。这些纤维选择性地通过无关脑区连接到目标区域(图1-a)。用简化的排列神经纤维体外建模模仿体内复杂神经网络有助于了解大脑的连通性,这些模型可用于神经退行性疾病研究和神经元疾病的药物筛选。

研究者提出了具有排列神经纤维的神经组织单位,称为“杆状神经单位”,可以连接空间上分开的神经区域(图1-b)。制造神经单元时,采用同轴3D打印的方式制造超细纤维形神经组织原料,其中干细胞或原代神经细胞被封装藻酸盐水凝胶的管内。将该组织切成毫米大小的单元,并在进一步培养细胞后,断面的两个边缘都凸出并形成球形末端(图1-b)。所提出的棒状神经单元具有以下特征:(1)神经纤维沿棒的纵向排列;(2)每个单元具有一个覆盖有海藻酸盐水凝胶层的绝缘区域;(3)单元的边缘是可连接的,球形端部起胶水的作用,以与其他神经组织或单元连接。

图1棒状神经单元形成3D神经网络概念图 a)在人脑空间分离区域之间具有选择性连接的神经通路;b)杆状神经单元的形成示意图;c)用杆状神经单元构建3D神经网络的概念图

在这项研究中,研究者设计并制造了棒神经单元,并根据神经元形态和网络形成来表征它们的连通性。使用了三种类型的神经细胞来制造超细纤维形神经组织:原代小鼠神经干细胞(mNSCs)、原代皮质细胞、原代海马细胞(图2)。

图2神经纤维的3D神经网络制造流程 a)杆状神经单元;b)培养1天后,在细胞跟踪蓝色标记的单元(箭头)和非标记的单元之间的连接点合并图像;c)培养2天后,神经单元形成45°、90°、135°和180°的角度;d)连接的四个神经单元的连接照片

本研究提出了一种杆状神经单元,它可以以灵活的连接角度将排列的神经纤维连接到其他单元。这些神经单元可用于构建3D神经网络,不仅可以模拟来自同一大脑区域的神经元之间的连接,而且还能模拟来自不同大脑区域(例如皮质和海马体)的神经元之间的连接。因此,提出的神经单元可以为体外构建复杂的3D神经网络提供基础。

参考文献:

  1. Kato-Negishi M , Onoe H , Ito A , et al. Rod-Shaped Neural Units for Aligned 3D Neural Network Connection[J]. Advanced Healthcare Materials, 2017:1700143.