2022-04-09 12:50

生物启发技术有一天可能会导致仿生眼睛

Bio-inspired technology could one day lead to a bio<em></em>nic eye

一种新的眼睛和大脑植入装置的设计灵感来自大自然。

UO的研究人员已经在一个分形电极上培养了啮齿动物的视网膜神经元,这个电极模仿了神经元自然生长的重复分枝模式。这离制造受生物启发的仿生眼又近了一步,这是UO物理学家理查德·泰勒长期以来的目标。

泰勒希望有一天这种微型电极可以植入眼睛,以恢复黄斑变性或其他视力障碍患者的视力。

这项新研究为他的团队多年来一直追求的一种预感提供了实验证据,即神经元本身是分形的,与传统形状的电极相比,它们将更好地连接到分形图案的电极上,从而在植入物和大脑之间实现更好的信号传输。

泰勒和他的同事在4月6日发表在《公共科学图书馆·综合》杂志上的一篇论文中报告了他们的发现。

“我如此兴奋的原因是,这篇论文是用了三年的数据来探索当这些视网膜细胞与分形电极相互作用时发生了什么,”他说。

神经植入物有着未来的光辉,但它们已经被用于帮助从帕金森氏症到脊髓损伤等各种疾病的患者。一种可以刺激大脑中特定位置的芯片可以帮助减少颤抖,甚至恢复运动、说话或看东西的能力。

为了成功地将信号发送到大脑或眼睛,植入的电极需要能够连接到现有的神经元网络。神经元自然地生长在像树一样的分形图案中,导致越来越细的树枝。

大多数电子产品的形状都不是这样的;它们是为机器内部使用而设计的,而不是生物内部。相反,泰勒想,为什么不哄骗神经元以符合它们倾向的模式连接到电极上呢?

“你希望神经元被刺激;这是设计任何一种电极的最终目标,”泰勒实验室的博士后研究员萨巴·莫斯利希(Saba Moslehi)说。“当两个物体具有非常相似的特征时,它们会比具有完全不同特征的物体更倾向于互动。”

泰勒是一位专攻分形的物理学家,他在2014年向生命科学研究竞赛提交了这个想法。令他吃惊的是,它击败了近1000个竞争对手的想法。自那以后,在UO教授本杰明·阿莱曼(Benjamin Aleman)和克里斯·尼尔(Cris Niell)以及瑞典隆德大学(Lund University)的合作者的帮助下,他的团队一直在探索其潜力。

在过去的研究中,他们进行了计算机模拟,表明分形图案的电极比传统的电极形状更有效。然后,为了用实验来验证这一想法,UO团队使用了由光滑的硅片制成的电极,并在芯片表面使用了碳纳米管制成的分支。

神经元更喜欢附着在有纹理的纳米管上,所以研究人员可以通过修改纳米管表面的地图来控制神经元附着在电极上的位置。

Moslehi和博士生康纳·罗兰(Conor Rowland)以及朱利安·史密斯(Julian Smith)利用俄勒冈州UO高级材料表征中心(Center for Advanced Materials Characterization)的设施,用碳纳米管以硅为基,排列成一个重复字母H的分形图案。

为了进行比较,他们还用平行排列的纳米管制作了芯片,这种设计可能会出现在商业上可用的电极芯片上。

然后,他们使用培养皿中培养的细胞,跟踪老鼠视网膜神经元在芯片上的生长情况。

实验显示,神经元更倾向于附着在有纹理的分形树枝上,而不是树枝间光滑的缝隙上。神经胶质细胞是神经元的重要支持细胞,紧密地挤在平滑的缝隙中。分形设计在神经元和神经胶质的“群集”中是最有效的。

泰勒说:“真正聪明的事情是,我们成功地将神经胶质细胞放在缝隙中。”“神经胶质细胞是神经元的生命维持系统,我们需要诱导神经元和神经胶质细胞之间的有利互动。”

泰勒强调,这项工作仍处于初级阶段。在动物身上进行试验还需要额外的工程和安全测试。但最终,研究人员希望他们的设计能变成现实世界的设备,帮助视力丧失的人。

这种分形图案的仿生电极可能会在仿生眼之外的大脑植入研究中发挥作用。

“我认为这不仅可以帮助我们测试的系统,还可以植入神经系统的其他部分,”Moslehi说。“我希望看到更多的研究人员开始使用分形电极,而不是商业模式。”