人类大脑的神经回路如何工作？当它们受到干扰时会发生什么？为探究这些问题，波恩大学医院眼科诊所（UKB）和波恩大学的研究人员与明斯特大学及哈佛医学院的同事合作，开发了一种创新平台，能够有针对性地研究神经网络的功能。相关成果现已发表在《ACS Nano》期刊上。
波恩大学医院眼科诊所的生物技术学家、研究小组负责人布斯坎普教授（Prof. Dr. Volker Busskamp），作为波恩大学"免疫感知²"卓越集群和"生命与健康"跨学科研究领域的成员，他与团队开发了一项新技术，首次能够有针对性且可重复地构建人类神经网络。
这种名为单神经元网络组装平台（Single-Neuron Network Assembly Platform，SNAP）的方法，能够以单细胞精度定位神经细胞并检测其电信号。这为研究大脑基本过程——以及可能的癫痫或心律失常等疾病——开辟了全新途径。
有针对性的神经回路而非随机网络
迄今为止，体外大脑模型通常基于随机形成的细胞连接，这严重限制了其可重复性。而SNAP方法则将3D打印的微流体通道与最先进的激光和软光刻技术相结合。
使用微移液管和微操作器，可以在通道中以显微精度定位单个细胞。神经细胞的轴突生长也可以被特定控制，从而形成明确定义且可重复的神经网络。这使得神经元能够被精确定位，并精确测量电活动。
布斯坎普解释道："通过SNAP，我们可以从头设计神经回路。这使我们能够研究具有特定特性的网络，并记录此前难以通过实验获取的过程。"
用于测量神经信号的人工生成神经网络的荧光图像（左）和明场图像（右），带有电极结构。图片来源：波恩大学医院/约翰内斯·施特里贝尔
首次直接证实所谓的电紧张耦合
该研究的一个重点是调查电紧张耦合（ephaptic coupling）——即神经元通过自身电场进行的相互作用，不依赖于突触接触。此类效应此前主要在理论上被描述，但几乎无法通过实验验证。借助SNAP，研究人员首次在受控的人类神经回路中获得了电紧张耦合的直接实验证据。
"关键在于能够在单细胞水平上控制细胞，"该研究的第一作者、博士生约翰内斯·施特里贝尔解释道。"这听起来很简单，但从技术角度来看极具挑战性。正是通过这种精度，我们才能展示电场如何影响神经元之间的信号传输。"
研究发现，这种形式的电通信影响了神经信号的速度和时序。电紧张耦合不仅可能在大脑中发挥作用，还可能在心肌中发挥作用，并可能涉及癫痫或心律失常等疾病。
为基础研究和疾病模型带来新机遇
该平台允许整合不同类型的细胞，并精确观察包括光遗传刺激在内的单个神经元。它既可用于研究大脑中的信息处理等基础研究，也可用于模拟特定疾病的改变。
从长远来看，SNAP还可用于药物研究或功能性疾病模型的开发。由于该方法对突触拮抗剂具有高灵敏度，因此特别适合分析神经活性物质。
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