3D打印棒狀神經(jīng)單元用于體外構建神經(jīng)網(wǎng)絡

供稿人:郝志巖、王玲

在大腦中，三維神經(jīng)網(wǎng)絡（如海馬前額通路、杏仁核途徑和視覺通路）是由數(shù)條排列的神經(jīng)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(jīng)纖維體外建模模仿體內(nèi)復雜神經(jīng)網(wǎng)絡有助于了解大腦的連通性，這些模型可用于神經(jīng)退行性疾病研究和神經(jīng)元疾病的藥物篩選。

研究者提出了具有排列神經(jīng)纖維的神經(jīng)組織單位，稱為“桿狀神經(jīng)單位”，可以連接空間上分開的神經(jīng)區(qū)域（圖1-b）。制造神經(jīng)單元時，采用同軸3D打印的方式制造超細纖維形神經(jīng)組織原料，其中干細胞或原代神經(jīng)細胞被封裝藻酸鹽水凝膠的管內(nèi)。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(jīng)單元具有以下特征：（1）神經(jīng)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(jīng)組織或單元連接。

圖1棒狀神經(jīng)單元形成3D神經(jīng)網(wǎng)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(jīng)通路；b）桿狀神經(jīng)單元的形成示意圖；c）用桿狀神經(jīng)單元構建3D神經(jīng)網(wǎng)絡的概念圖

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

圖2神經(jīng)纖維的3D神經(jīng)網(wǎng)絡制造流程 a）桿狀神經(jīng)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(jīng)單元形成45°、90°、135°和180°的角度；d）連接的四個神經(jīng)單元的連接照片

本研究提出了一種桿狀神經(jīng)單元，它可以以靈活的連接角度將排列的神經(jīng)纖維連接到其他單元。這些神經(jīng)單元可用于構建3D神經(jīng)網(wǎng)絡，不僅可以模擬來自同一大腦區(qū)域的神經(jīng)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(zhì)和海馬體）的神經(jīng)元之間的連接。因此，提出的神經(jīng)單元可以為體外構建復雜的3D神經(jīng)網(wǎng)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(tǒng)工程國家重點實驗室