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        天津大學(xué)重磅研究 物理場(chǎng)調控腦類(lèi)器官 開(kāi)辟片上腦-機接口新疆域
        發(fā)布時(shí)間:2024-06-18    

        本站訊(醫學(xué)院供稿)人類(lèi)的大腦只有三磅重,卻是已知世界中最復雜的物質(zhì)。當前,在新一代生命體與非生命體融合交互的浪潮下,如何通過(guò)干細胞技術(shù)體外培養的“大腦”實(shí)現“意念控制”,“片上腦-機接口”研究正在引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。片上腦-機接口,是利用體外培養“大腦”(如腦類(lèi)器官)與電極芯片耦合形成的片上腦,通過(guò)編解碼及刺激-反饋實(shí)現其與外界信息交互的技術(shù)。作為腦機接口領(lǐng)域的一個(gè)重要新興分支,片上腦-機接口有望對混合智能、類(lèi)腦計算等前沿科技領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生革命性的推動(dòng)。

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        當前,片上腦-機接口這一新型混合智能體的構建技術(shù)尚處于起步階段,涉及智能基礎、智能通訊、智能遷移、智能融合等多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節。其中智能基礎作為智能體的中央處理器CPU,是實(shí)現片上腦智能的核心,旨在能高效地模擬大腦、解析大腦。目前被視為最有潛力的智能基礎模型——腦類(lèi)器官,盡管具有與人腦類(lèi)似的結構和功能,卻仍面臨發(fā)育成熟度低、營(yíng)養供給不足等瓶頸問(wèn)題。

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        天津大學(xué)醫學(xué)院神經(jīng)工程團隊對該問(wèn)題深入探索,近日在腦科學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Brain》發(fā)表相關(guān)研究成果。團隊研究發(fā)現,低強度聚焦超聲可顯著(zhù)促進(jìn)神經(jīng)祖細胞的增殖和神經(jīng)元的分化、皮質(zhì)板的厚度增加和分層清晰、以及突觸結構和功能成熟,最終構成復雜度高、具有存儲計算能力的三維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò ),從而可為片上腦-機接口提供更佳的智能基礎。該研究是學(xué)術(shù)界首次分析物理場(chǎng)對人源性腦類(lèi)器官生長(cháng)發(fā)育的調控作用,厘清了低強度聚焦超聲通過(guò)YAP信號通路進(jìn)行調控的原理機制。

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        在實(shí)驗中,團隊將人源性腦類(lèi)器官移植至免疫缺陷小鼠(NOD scid)初級感覺(jué)皮層,構建了人-鼠腦嵌合體,并搭建了片上腦體內應用系統。通過(guò)綜合運用免疫熒光技術(shù)、細胞譜系示蹤、單細胞RNA測序等實(shí)驗方法,結果顯示低強度聚焦超聲可促進(jìn)腦類(lèi)器官移植物在宿主腦組織內分化成熟。采用基因敲低和藥物干預等手段,闡述了低強度聚焦超聲通過(guò)影響神經(jīng)祖細胞YAP的核質(zhì)比,從而影響皮層類(lèi)器官增殖的分子機制。

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        片上腦-機接口體內應用系統的搭建

        該研究進(jìn)一步基于片上腦體內系統,采用移植物電生理-宿主行為學(xué)同步捕捉技術(shù),通過(guò)分析在宿主痛覺(jué)行為學(xué)過(guò)程中腦類(lèi)器官移植物的Gamma波段能量與相位,證實(shí)了低強度聚焦超聲可促進(jìn)腦類(lèi)器官與宿主整合交互、以及神經(jīng)發(fā)育缺陷的再生修復,初步顯示了片上腦系統在醫療康復領(lǐng)域的應用潛能。

        該研究以題為“Low-intensity ultrasound ameliorates brain organoid integration and rescues microcephaly deficits”的論文,發(fā)表于國際腦科學(xué)頂級刊物、歐洲神經(jīng)學(xué)會(huì )會(huì )刊《Brain》,依托先進(jìn)醫用材料與醫療器械全國重點(diǎn)實(shí)驗室、腦機交互與人機共融海河實(shí)驗室,并獲得了“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“組織工程類(lèi)腦智能復合體設計與開(kāi)發(fā)”的資助支持。天津大學(xué)為論文的唯一作者單位,李曉紅教授和明東教授為通訊作者,2021級博士生郭迪和陳力群副教授為共同一作。

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        片上腦-機接口應用場(chǎng)景之一

        利用上述片上腦體內應用系統,天津大學(xué)團隊還與南方科技大學(xué)等協(xié)同開(kāi)發(fā)了全球首個(gè)可開(kāi)源片上腦智能復合體信息交互系統,實(shí)現了培養“大腦”對機器人避障、跟蹤、抓握等無(wú)人控制任務(wù),完成了多種類(lèi)腦計算的啟發(fā)工作。天津大學(xué)團隊已申請片上腦-機接口方向的國家發(fā)明專(zhuān)利15項,實(shí)審美國、英國專(zhuān)利2項,舉辦首屆片上腦-機接口國際會(huì )議,并主編首部片上腦-機接口教材。未來(lái),團隊將進(jìn)一步深化對片上腦-機接口的智能通訊、智能遷移、智能融合等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的探索,推動(dòng)片上腦-機接口技術(shù)早日實(shí)現轉化應用。

        (編輯 劉延俊 段智馨)

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