腦機接口不是夢!新導電水凝膠支架可支持離體腦細胞發育

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腦機接口(Brain-computer interfaces, BCI)是近幾年的熱門話題,除了利用腦信號控制機器的應用,BCI 還可能改進監測神經系統活動的方式,協助相關疾病新療法的開發。然而金屬對大腦來說並不是太友善的材料,它們不僅堅硬,還無法複製腦細胞正常生長所需的物理環境,因此如何處理電極(electrodes)也就成為開發 BCI 裝置的主要障礙。

在最新研究中,哈佛大學(Harvard University)和麻省理工學院(MIT)團隊開發了一種新型導電水凝膠支架,不僅模仿腦組織的柔軟、多孔狀態,還支持人類神經祖細胞(human neural progenitor cells, NPC)在其中生長、分化為多種不同類型腦細胞。研究人員認為,這種新型支架除了能協助植入式 BCI 裝置開發,也可以用於體外研究人類神經網路的形成,具有廣泛應用潛力等待探索。

讓導電水凝膠更適合細胞生存

團隊在 2021 年首次打造出基於水凝膠的電極,儘管已具備充足彈性,為了讓電極與大腦組織更為相容,團隊決定進一步嘗試將活腦細胞整合到電極中。為了使導電水凝膠成為細胞更舒適的生存場所,研究人員先改良製造過程讓支架形成多孔結構,確保細胞有足夠表面積生長,隨後更設計了 4 種水凝膠新配方,希望找出更適合神經細胞生長發育的組合。

經過多項測試後團隊發現,在黏彈性(viscoelastic)、彈性(elastic)、柔軟及堅硬這 4 種水凝膠新配方中,黏彈性支架上生長的 NPG 不僅能形成格狀結構網路,並在五週後分化為多種細胞類型,負責在物理、代謝上支持神經元的星形膠質細胞(astrocytes)在其中生長時,還會形成特有的長突起,並隨著凝膠中導電材料的增加數量明顯增多。

除此之外,會產生髓鞘(myelin sheath)來隔離神經元軸突(axons)的寡樹突膠細胞(Oligodendrocytes)也存在於支架中,與彈性凝膠相比,黏彈性凝膠上的總髓鞘和髓鞘片段更長,當凝膠中存在更多導電材料時,髓鞘的厚度也會隨之增加。

讓神經元軸突上能形成髓鞘

研究人員認為,NPC 能在支架內成功分化為多種類型腦細胞,證實導電水凝膠確實提供了合適的體外生長環境,考量到在大腦的活體模型中,複製神經元軸突上的髓鞘的形成一直都是一項挑戰,這項融合了材料科學、生物力學和組織工程的創新研究代表了一項重大進步。

除了開闢一種新方法來打造更有效的電極以及能與腦組織更無縫貼合的 BCI 裝置,團隊開發的模型還能用來加速尋找神經系統疾病的有效療法,團隊計劃持續研究導電水凝膠支架,並進一步探索不同電流刺激如何影響各種細胞類型,希望有朝一日能打造出協助患有神經、生理問題的患者恢復功能的設備。

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參考資料:
1. Advanced Healthcare Materials, 2022,https://doi.org/10.1002/adhm.202202221
2. https://wyss.harvard.edu/news/a-soft-stimulating-scaffold-supports-brain-cell-development-ex-vivo/

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