3D打印棒狀神經單元用于體外構建神經網絡

供稿人:郝志巖、王玲

在大腦中，三維神經網絡（如海馬前額通路、杏仁核途徑和視覺通路）是由數條排列的神經纖維連接各種獨立的區(qū)域。這些纖維選擇性地通過無關腦區(qū)連接到目標區(qū)域（圖1-a）。用簡化的排列神經纖維體外建模模仿體內復雜神經網絡有助于了解大腦的連通性，這些模型可用于神經退行性疾病研究和神經元疾病的藥物篩選。

研究者提出了具有排列神經纖維的神經組織單位，稱為“桿狀神經單位”，可以連接空間上分開的神經區(qū)域（圖1-b）。制造神經單元時，采用同軸3D打印的方式制造超細纖維形神經組織原料，其中干細胞或原代神經細胞被封裝藻酸鹽水凝膠的管內。將該組織切成毫米大小的單元，并在進一步培養(yǎng)細胞后，斷面的兩個邊緣都凸出并形成球形末端（圖1-b）。所提出的棒狀神經單元具有以下特征：（1）神經纖維沿棒的縱向排列；（2）每個單元具有一個覆蓋有海藻酸鹽水凝膠層的絕緣區(qū)域；（3）單元的邊緣是可連接的，球形端部起膠水的作用，以與其他神經組織或單元連接。

圖1棒狀神經單元形成3D神經網絡概念圖 a）在人腦空間分離區(qū)域之間具有選擇性連接的神經通路；b）桿狀神經單元的形成示意圖；c）用桿狀神經單元構建3D神經網絡的概念圖

在這項研究中，研究者設計并制造了棒神經單元，并根據神經元形態(tài)和網絡形成來表征它們的連通性。使用了三種類型的神經細胞來制造超細纖維形神經組織：原代小鼠神經干細胞（mNSCs）、原代皮質細胞、原代海馬細胞（圖2）。

圖2神經纖維的3D神經網絡制造流程 a）桿狀神經單元；b）培養(yǎng)1天后，在細胞跟蹤藍色標記的單元（箭頭）和非標記的單元之間的連接點合并圖像；c）培養(yǎng)2天后，神經單元形成45°、90°、135°和180°的角度；d）連接的四個神經單元的連接照片

本研究提出了一種桿狀神經單元，它可以以靈活的連接角度將排列的神經纖維連接到其他單元。這些神經單元可用于構建3D神經網絡，不僅可以模擬來自同一大腦區(qū)域的神經元之間的連接，而且還能模擬來自不同大腦區(qū)域（例如皮質和海馬體）的神經元之間的連接。因此，提出的神經單元可以為體外構建復雜的3D神經網絡提供基礎。

參考文獻：
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.

供稿人:郝志巖、王玲 供稿單位：機械制造系統工程國家重點實驗室