神经细胞培养笔记:从原代神经元到类脑器官
上一篇聊了脑机接口,读信号的一端是电极,另一端是神经元。如果想在体外研究神经元,就绕不开细胞培养。这篇是我读资料时整理的概览,属于科普性质,不是实验操作手册。
神经元从哪来
- 原代神经元:直接取自动物胚胎的脑组织,比如大鼠或小鼠的海马、皮层。保留了较多天然特性,但神经元不会分裂,取一次用一次,批次间差异也比较大。
- 细胞系:例如 PC12、SH-SY5Y,容易传代、成本低,适合做初步筛选。缺点是它们和真实神经元差别明显,结论要谨慎外推。
- 诱导多能干细胞(iPSC)来源的神经元:从体细胞重编程为多能干细胞,再定向分化成神经元。山中伸弥团队在 2006 年和 2007 年先后做出小鼠和人的 iPSC。好处是可以拿到来自特定患者的细胞,用来研究疾病,也避免了一部分伦理争议。
培养里常见的几个关键点
- 贴壁基质:神经元不太愿意直接贴在塑料上,通常要先用多聚赖氨酸、层粘连蛋白等包被培养表面。
- 培养基:常用专为神经元设计的无血清培养基,搭配 B27 之类的添加剂。血清会促进胶质细胞增殖,不利于神经元存活。
- 胶质细胞的比例:星形胶质细胞会给神经元提供营养支持,但过度增殖又会盖过神经元。有些实验会用抗增殖药物来控制,有些则刻意共培养。
- 成熟需要时间:神经元要几周才能长出突起、形成突触、出现同步化的网络活动,耐心是第一要求。
- 无菌与规范:涉及动物来源或人源细胞,一定要在有资质的实验室并遵守伦理审查和生物安全规定,不适合在家随意尝试。
培养出来之后能做什么
多电极阵列(MEA)可以在培养皿底部长期记录神经元网络的电活动,这是培养神经细胞与电子设备结合的典型场景。2022 年有团队在《Neuron》上报道了名为 DishBrain 的实验:把培养的神经元接到电极阵列上,通过反馈让它们在模拟的乒乓游戏里表现出学习的迹象。这类工作的解读仍有争议,但它说明体外神经网络可以与计算系统形成闭环。
类脑器官:更立体的尝试
2013 年前后,Madeline Lancaster 等人的工作让人源脑类器官成为热点。它们用干细胞在三维培养中自组织出带有分层结构的神经组织。2023 年底有团队在《Nature Electronics》上提出 Brainoware,把类脑器官放在电极阵列上,用作储备池计算的实验载体。这些研究很有意思,也引出了关于意识、伦理边界的讨论,值得持续关注。
我的一点想法
从 BCI 的角度看,体外培养的价值在于:它提供了一个可控、可重复的神经网络,可以用来测试电极材料、刺激策略和解码算法。但三维结构的缺失、血管的缺失,是下一步需要解决的问题。这也引到了我接下来想看的方向:生物 3D 打印。
说明:本文为个人学习笔记,仅供技术交流。文中提到的研究请以原始论文为准,实验操作须在合规实验室内进行。