類神經元電子（紅色）模仿神經元（綠色）的形狀，大小和靈活性，使它們能夠與原生腦組織保持共生。圖片來源：肖揚（利伯實驗室）
就像一個守衛嚴密的堡壘一樣，人類的大腦在視線中攻擊入侵者。異物，包括用於研究和治療大腦的神經探針，不會持續很長時間。但是現在，研究人員設計了一種探頭，其外觀，動作和感覺非常像真正的神經元，大腦無法識別冒名頂替者。根據查爾斯·利伯（Charles M. Lieber）的說法，這一突破“從字面上模糊了人造和生活系統之間永恆存在和明顯不同的特性。” 他們模糊了人與機器之間的界限。
Lieber，哈佛大學的Joshua和Beth Friedman大學教授，以及他的實驗室成員是Nature Materials上發表的一篇新論文的作者，該論文提出了神經探針的生物啟發設計。
直接植入 ，探針設計為在器官溫暖，潮溼和惡劣的環境中儘可能長時間存活。隱藏在保護套內的傳感器將數據發回給研究人員。瞭解個體神經元如何以及何時進行神經迴路通信可以告知如何治療帕金森氏症等神經系統疾病，阿爾茨海默氏症逆轉神經衰弱和衰老，甚至提高認知能力。
但目前的植入物不能欺騙 - 它們引起異物反應。與真實神經元和 相比，傳統植入物大而僵硬，對持續監測有兩個主要障礙。在腦組織的初始放置期間 - 通常需要手術 - 神經元逃離受影響的區域。以前的研究表明，大腦的免疫系統會感知異物並開始工作，導致炎症和疤痕組織隔離裝置。即使它們能夠捕獲疤痕組織之外的信號，剛性探針也可以移動位置並最終將一個神經信號替換為另一個神經信號。
“這最終會使錄製的信號不穩定，”第一作者，Lieber實驗室四年級研究生肖揚說。她穿著紫色和粉紅色的斑點毛衣，眼鏡和牛仔褲，將她的雙手合十，然後分開，然後再一起解釋她和她的團隊如何建立一個能夠激發微不足道的免疫反應的探針，在一天內記錄神經信號 - 植入，甚至可以促進組織再生。
“神經探測的刻板印象是它們與他們正在審問的神經元目標相比是巨大的。但在我們的情況下，它們基本上是相同的，”楊說。他們的探針模擬了以前在實驗室中無法實現的三個特徵：實際神經元的形狀，大小和靈活性。
Yang及其同事首次展示了他們植入探針（紅色）與周圍神經元（綠色）無縫整合的3D渲染。鑑於探針的類神經元特徵，他們能夠使用整個組織/探針體積的3D映射來觀察神經元和其他內源細胞如何與裝置相互作用。其他植入物太厚而不能通過光線，從而阻礙了整個界面的3D成像。圖片來源：肖揚（利伯實驗室）
神經元看起來有點像蝌蚪，圓頭和長而柔韌的尾巴。因此，楊和她的同事創造了一個“頭”來容納他們的金屬記錄電極，它與神經元的體細胞（或細胞體）的大小相匹配。他們的電線互連通過一個超靈活的聚合物“尾巴”，類似於神經元的神經突。根據Yang的說法，他們的神經元樣電子設備（NeuE）比迄今為止報道的最靈活的探頭“靈活5到20倍”。他們擊敗的是他們自己的網狀電子設備。
典型的神經元“頭部”的寬度與非常細的頭髮束（20微米）大致相同，並且“尾巴”可以是10-20倍更精細。測量相同甚至更薄的寬度，類神經元電子是最小的探針。為了製作他們的微觀工具，楊和她的同事依靠光刻技術，利用光線將圖案轉移到材料上，並一次構建 的四個不同的金屬和聚合物層。
一旦建成，該團隊使用注射器將16個細胞模擬物注入海馬區域 - 因為它在小鼠大腦的學習，記憶和衰老中起著重要作用。在那裡，他們展開創造一個多孔的網絡，模仿大腦縱橫交錯的神經網絡。
更大，更堅固的探針從其領土中排除了天然細胞，並且可以破壞研究人員試圖研究的 。Yang的探針允許細胞完全整合，吸收的體積不到植入體積的1％。從早到一個月開始，神經元與人工網絡融為一體，形成和諧的混合體。這種同化解釋了為什麼團隊在植入後幾個月實現了穩定的數據收集。他們甚至沒有失去一個神經元信號。相反，他們獲得了一些。
“在一個意想不到的令人興奮的結果中，”楊說，新的神經元信號表明，新生 可能會使用類似人工神經元的電子設備作為支架來到達受損的大腦區域並幫助組織再生。
再生治療通常依賴幹細胞來幫助大腦在損傷後重建。但是，與較大的探針一樣，移植的幹細胞會引起免疫反應，從而削弱其功效。類似神經元的電子設備從宿主的大腦中募集內源性幹細胞，並幫助它們遷移到受損區域。由於它們不是異物，大腦的 可以讓它們安靜地工作。雖然需要進一步研究，但神經元樣電子學最終可以提供一種安全，穩定的替代方案來治療神經系統疾病，腦損傷，甚至是抑鬱症和精神分裂症，其中積極監測和調節再生神經網絡的額外好處將是可能的。
目前，Yang正致力於多個方向，包括設計和製造更小更靈活的探針，以及探索神經元樣電子器件作為體內再生神經組織的活性支架的潛力。隨著邊緣免疫反應，再生特性和前所未有的穩定性，該團隊不僅模糊了人造系統和生命系統之間的界限，而且使它幾乎看不見。
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