Key cells in the brain, neurons, form networks by exchanging signals, enabling the brain to learn and adapt at incredible speed. Researchers at the Delft University of Technology in The Netherlands (TU Delft) have developed a 3D-printed brain-like environ
大脑中的关键细胞神经元通过交换信号形成网络，使大脑能够以惊人的速度学习和适应。荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的研究人员开发了一种3D打印的类脑环境，其中神经元的生长与真实大脑相似
他们使用微小的纳米柱来模拟软神经组织和大脑细胞外基质纤维。该模型为神经元如何形成网络提供了新的见解，并为未来理解这一过程在阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和自闭症等神经系统疾病中的变化提供了一种新的工具
该研究发表在《高级功能材料》杂志上
神经元和身体中的许多细胞一样，对周围环境的刚度和几何形状做出反应。传统的培养皿是平坦而坚硬的，与大脑柔软的纤维状细胞外基质环境不同。为了模拟这种环境的几何和机械特性，Angelo Accardo副教授团队使用双光子聚合设计了纳米柱阵列，这是一种具有纳米级精度的3D激光辅助打印技术
这些柱子，每根都比人的头发细一千倍，就像表面上的小森林一样排列。通过改变柱子的宽度和高度（纵横比），研究人员调整了它们的有效剪切模量，这是细胞在微或纳米结构阵列上爬行时感知到的一种机械性能
Accardo说：“这会诱使神经元‘认为’它们处于一个柔软的、类似大脑的环境中，即使纳米柱的材料本身是坚硬的。在神经元爬行的过程中弯曲时，纳米柱不仅模拟了脑组织的柔软性，还提供了一个神经元可以抓住的3D纳米结构，就像真实脑组织中的细胞外基质纳米纤维一样。”。这会影响神经元如何生长和相互连接 从随机生长到有序网络为了测试该模型，研究人员在纳米柱上生长了三种不同类型的神经元细胞，它们要么来自小鼠脑组织，要么来自人类干细胞。在传统的平培养皿和二维生物材料中，神经元以随机方向生长。但在3D打印的纳米柱阵列上，所有三种细胞类型都以更有组织的模式生长，以特定的角度形成网络
这项研究还揭示了对神经元生长锥的新见解
Accardo指出，“这些手状结构在生长中的神经元寻找新的连接时引导其尖端。在平坦的表面上，生长锥展开并保持相对平坦。但在纳米柱阵列上，生长锥体发出长而手指状的投影，从各个方向探索周围的环境——不仅沿着平坦的平面，而且在3D空间中，类似于真实大脑环境中发生的事情。”“此外，我们发现纳米柱创造的环境似乎也鼓励神经元成熟，”该研究的第一作者George Flamourakis强调道。与在平坦表面上生长的神经祖细胞相比，在柱子上生长的神经元祖细胞显示出更高水平的成熟神经元标志物
“这表明该系统不仅影响生长方向，还促进神经元成熟，”Flamourakis补充道
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研究大脑疾病的工具然而，如果柔软性如此重要，为什么不在凝胶等软材料上生长神经元呢
Accardo解释说：“问题在于，凝胶基质，如胶原蛋白或Matrigel，通常存在批次间的差异，并且没有合理设计的几何特征。纳米柱阵列模型提供了两全其美的效果：它的行为就像一个具有纳米特征的软环境，并且由于双光子聚合的分辨率，具有极高的可重复性。”通过更好地复制神经元的生长和连接方式，开发的模型可以为健康大脑网络与阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和自闭症等神经系统疾病之间的差异提供新的见解