一种名为“BioConNet”的新型生物工程神经元“电路板”，使科学家能够大规模地人工构建类似人类大脑的布线，并可用于设计任何可能的电路。这个完全可编程的开源系统能够生成大规模电路，同时保留对单个神经元连接之间的聚焦能力。
这是一项工程化类人神经环路的关键进步，因为它实现了比以往系统更高层次的布线复杂度。与类器官和商用系统等现有方法相比，BioConNet让科学家对培养物中的布线有了更强的控制力。这项研究发表在《先进医疗材料》期刊上。
“通过将工程学、神经生物学与最新的干细胞培养技术相结合，我们现在能够在实验室中创建人类特异性的、功能性的、大规模复杂神经环路，”资深作者、伦敦国王学院神经组织工程讲师、英国痴呆症研究所（UK DRI）小组负责人及克里克研究所高级小组负责人安德烈亚·塞里奥博士说。“我们可以为特定实验和了解特定疾病量身定制这些环路。这将让我们理解神经退行性疾病中细胞死亡的机制，并测试新的潜在疗法。”
培育生物神经网络
伦敦国王学院精神病学、心理学与神经科学研究所的研究人员将微流控技术——一种在细胞培养皿中操控极小体积流体的技术——与3D打印模具相结合，铸造出生物相容性聚合物，其形状完美适合引导发育中的神经元到达特定位置。
“BioConNet与其他平台的一个关键区别在于，这是一个开放系统，意味着没有从上方的通道或物理屏障来限制或固定神经元。利用聚合物装置，我们将神经元引导到特定位置，让它们自组织，”该研究的第一作者Pacharaporn Suklai说。
这些聚合物装置具有漏斗状形状来引导神经元，并带有微沟槽来固定它们。当神经元发育完成后，移除模具以评估生物结构的稳定性。
对研究人员来说，找到电路蓬勃发展的精确条件非常重要。他们尝试了在移除前让模具保留不同时间长度。“我们找出了如何使它们作为一个稳定的电路单元存在，这只有在细胞数量和时机恰到好处时才会发生。否则，神经元会形成多个独立的簇，无法稳定连接，”Suklai博士解释说。
创造类似大脑的条件
研究人员希望创建一个与人类大脑皮层相似的电路——大脑皮层约占人脑总质量的80%以上。然而，促使工程化神经网络具备人类皮层回路的精确特征需要非常特定的条件。装置的尺寸和形状以及细胞数量成为创造类似人类皮层条件的关键因素。
皮层不仅仅由神经元构成：在人类大脑皮层中，支持细胞（称为神经胶质细胞）的数量是神经元的10倍。这些支持细胞构建组织，为神经网络提供支架。
为了支持工程化的神经网络，研究人员在培养皿中加入了神经胶质细胞。通过包含神经胶质细胞，研究人员获得了更接近真实脑组织的结构，并防止了神经元从培养皿上脱落。这些神经胶质细胞还改变了它们所支持的神经网络的电学特性。
疾病相关基因的试验床
这项新技术BioConNet还可以轻松地进行基因编程和分析。这意味着它可用于研究疾病相关基因对神经环路的影响。归根结底，神经环路决定了大脑如何处理信息。因此，了解基因如何影响环路功能将有助于更深入地理解脑部相关疾病，并可能帮助开发治疗靶点。
未来的工作将聚焦于与神经退行性疾病（如额颞叶痴呆和肌萎缩侧索硬化症）相关的基因对环路的影响。
开创开源科学
这项新技术的蓝图完全向其他研究人员和公众开放。该流程已在线发表在《PLOS生物学》期刊和GitHub上，这意味着任何人都可以了解这些神经网络是如何构建的，并利用这些信息自行制作类似的网络。
“对我们来说，开发的平台能够产生最大的影响至关重要。这就是为什么所有材料和设计都以开源形式提供，使其完全可复制，”安德烈亚·塞里奥博士说。
Pacharaporn Suklai等，工程化皮层网络：一个用于体外受控人类环路形成和突触分析的开源平台，《先进医疗材料》（2025）。DOI: 10.1002/adhm.202500857
期刊信息：《先进医疗材料》、《PLOS生物学》
提供：伦敦国王学院
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