科學家們開發了一種柔性三維電子裝置，能夠包裹在實驗室培養的人類迷你大腦上，並記錄幾乎整個表面的活動。這個系統可以捕捉到 91% 神經類器官的電信號，克服了研究人員在研究這些類腦組織時面臨的主要限制。人類神經類器官是由幹細胞培養而成，越來越多地用於模擬大腦發育和疾病。它們形成相互連接的神經電路，並產生協調的電節律。然而，大多數現有的記錄工具都是平坦而堅硬的，只能讓科學家從少數幾個位置採樣信號。這種不匹配阻礙了研究人員觀察活動如何在整個網絡中擴散。缺乏全面覆蓋，重要的同步模式和神經元之間的大規模通信可能會被忽略。
新裝置由西北大學和雪莉·瑞安能力實驗室的研究人員開發，通過適應類器官的曲面形狀來改變這一現狀。它最初是平坦的柔性網格，然後轉變為輕柔包裹球形組織的三維框架。人類幹細胞衍生的類器官已成為生物醫學研究的主要焦點，因為它們能夠進行患者特異性的研究，了解組織對藥物和新興療法的反應，約翰·A·羅傑斯（John A. Rogers）在裝置開發中擔任領導角色。他指出，關鍵的缺失組件是能夠探測、刺激和操縱這些微小類比器官的硬件技術。這種網狀支架包含多達 240 個可獨立尋址的微電極，每個電極直徑僅有 10 微米，約為單個細胞的大小。其多孔設計允許氧氣和營養物質流通，同時保持穩定的電接觸。
人類神經類器官是活的三維組織，內含通過電信號進行通信的活躍神經電路，科林·弗朗茲博士（Dr. Colin Franz）負責類器官的開發。他表示，通過創造柔軟且形狀匹配的電子裝置，現在可以同時從其表面上的數百個位置進行記錄和刺激。這使得研究人員能夠在整個網絡層面上研究神經活動，而不僅僅是孤立的信號。當團隊測試僅有八或三十二個電極的系統時，記錄的信號有限且局部化。而使用完整的 240 通道陣列，研究人員觀察到橫跨類器官的同步振盪波。因為每個電極的位置在三維空間中都有標記，該系統可以生成詳細的活動地圖。
從平面轉變為三維結構的過程依賴於受控的機械彎曲，類似於立體書的摺疊過程。這種方法使電子裝置能夠在不損壞類器官的情況下，適應其曲率。羅傑斯指出，裝置的結構需要支持這些代謝過程，以維持組織的活力。簡而言之，類器官需要呼吸。硬件必須不會顯著限制或窒息它。除了記錄信號外，該平台還能提供電刺激。在藥物測試中，團隊觀察到神經活動的明顯變化。接觸 4-氨基吡啶時，信號增強，而肉毒桿菌毒素則擾亂了協調放電。這些反應表明，系統能夠檢測到活生生的神經網絡中的重要變化。
研究人員還展示了改變網格設計可以影響類器官的生長，產生非球形幾何形狀，如立方體和六邊形。這種能力可能使未來的研究能夠模組化組裝不同類型的組織。隨著類器官在神經科學和藥物開發中的重要性日益增加，提供近乎完整監控的工具可能有助於確定實驗性療法是否真正恢復了協調的大腦功能。這項研究已發表於《自然生物醫學工程》期刊。
