为了精准解码NoN之间的联系，西湖大学先进神经芯片中心提出运用单细胞操控平台，深入探究细胞间相互作用和细胞功能。我们通过在体外构建可控的、基于单个神经细胞的人造神经网络，为研究大脑高级功能提供了有力的支持。这一前沿技术的结合，为解锁大脑奥秘、拓展人类认知边界带来了全新的机遇。


在本研究中，我们利用介电泳力，在微电极阵列(MEA)芯片上精确操控单细胞，建立了精准的神经细胞间相互作用模型。此集成平台能够精确地操控单个细胞，这些细胞既可以被电极捕获，也可以在电极之间转移。每个电极都可以独立控制，同时也可以记录相应的神经细胞电生理信号。我们还研究了电极微孔的直径和深度、细胞的几何形状以及控制信号的电压幅值等多个参数对细胞操控的影响，进一步优化细胞操控时的环境因素。利用293T细胞和神经细胞对芯片的功能进行评估，观察电场对细胞的影响。在研究的最后，我们记录了从人类诱导多能干细胞(iPSC)中分化出来的单个神经元和神经元网络的电生理信号，并对其进行了比较，以证明芯片的功能。所获得的初步结果将神经网络的自然生长模型扩展到基于单细胞的可控神经网络水平，满足了引入更精细的细胞间相互作用模型的期望。

图1.细胞操控装置及原理:(a)装置示意图，主要包括具有微流控结构的MEA芯片。细胞被捕获并在电极之间转移以实现精确的操控；(b)细胞捕获过程的模拟结果。细胞从左侧释放，以10μm/s的流速移动。随后，电极利用介电泳力将细胞捕获。


相较传统MEA芯片记录神经连接，我们的平台具有独特优势，能构建定制化、可控的、基于单细胞的神经元网络，并实现对网络中每个神经元的精确记录。传统MEA芯片上的神经元网络是随机、不可预测的，导致可重复性较低。总体而言，我们的工作结合了单细胞操控技术和MEA神经元记录的能力，不仅改善了电极-细胞间的耦合，提高了信号记录质量，还可创建定制的神经元网络，进行记录、刺激和训练。这种综合性方法为神经科学研究提供了强大而灵活的工具，有望推动对大脑高级功能广泛而深刻地理解。