编辑：魔王、杜伟、小舟
新药研发过程中，除了进行动物测试，还有其他更好的路子吗？近年来，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的多学科团队试图在芯片设备上复制人体系统，并开拓出了能够捕获体外培养脑细胞神经活动的「芯片大脑」（brain-on-a-chip）。未来，它或许会取代动物测试。
在科学实验中，研究职员每每首先以「小白鼠」为实验工具。虽然是科研须要，但有人训斥这是对生命的轻渎。此外，动物测试本钱高且耗时，同时无法精确表示人类的反应。那么有没有其他替代品呢？
（图片来自网络侵删）来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的多学科科学家团队开拓了一款三维「芯片大脑」（brain-on-a-chip），它能够捕获体外培养活体脑细胞的神经活动，并提出了一种建模交互神经元群体及其网络构造的办法。
LLNL 实验室工程师与生物学家团队成员，由左往右依次是 David Soscia、Nick Fischer 和 Doris Lam。
在一篇揭橥在 Lab on a Chip 期刊的论文中，LLNL 实验室研究职员表示，他们创建的 3D 微电极阵列（3DMEA）平台能够坚持数十万人类神经元存活，并使它们在 3D gel 中连接和沟通。此外，利用他们开拓的薄膜衰落电极阵列可以在长达 45 天内无创记录放电和脉冲。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/LC/C9LC01148J#!divAbstract
该研究技能繁芜度很高，不过参与的研究职员认为，这可以为肃清影响大脑功能的毒素或神经系统疾病（如癫痫）供应高效的新方案。
该研究项目首席研究员 Nick Fischer 表示：「我们的操持是搜集工程、生物学和打算知识，开拓出一种更能代表人脑生理性能和功能的模型。而这项研究推动该领域向着这个终极目标提高。」
LLNL 实验室致力于在芯片设备上复制人体系统，而该研究正是其系列事情的一小部分。其目标是随着干系技能的不断发展，研发的芯片设备更适用于人类，乃至取代动物测试。
Fischer 表示，这项 3D 芯片大脑研究的终极目的是：开拓出一个供应人类干系数据的实验平台，通过简化、易复现、中肯的模型系统，更好地理解不同类型的药物和治疗方案对人脑功能的影响。
制作和建模芯片大脑
神经元被认为是大脑中神经系统向其他细胞通报信息的基本事情单元。神经元互换时，会产生眇小的电旗子暗记，微电极可以网络这些电旗子暗记。Fischer 和他的团队在 2016 年展开了这项研究事情，在此过程中进行了多次硬件迭代。他们设计和完善了带有「多电极阵列」的芯片大脑设备。
LLNL 实验室的芯片大脑示意图。
Fischer 阐明说：「该阵列是一种培养孔中不同电极的方向，脑细胞在其上成长。随着神经网络的成熟，这些电极就可以网络神经元的放电旗子暗记。」Fischer 表示，这本色上正是神经元相互浸染并通报电脉冲时发生的征象。
该芯片由一种基板构成，基板上有一个穿过多个电极的孔，电极走线通向连接器，这些连接器接入的仪器可以记录从脑细胞中获取的电旗子暗记。该仪器与打算机连接，因此终极可以得到每个电极的小数据窗口，从中可以不雅观察到电压的升高。
Fischer 补充道，随着韶光的推移，科学家将二维芯片升级为三维设备，这也使该研究更靠近人脑的真实繁芜情形。Fischer 表示三维芯片能够呈现出非常震荡的图像。
随着芯片大脑的发展，LLNL 实验室机器学习组 Jose Cadena 和其他研究者建立了一个韶光随机块模型。该模型可用于可视化和跟踪神经元网络在芯片上的变革。该研究想要开拓出一种机制，来研究芯片上的神经元和构造在其存在过程中的变革。
Cadena 表示之前也有很多关于理解大脑快照的研究，即将大脑数据作为静态照片。而这项研究的特殊之处在于其模型是韶光模型，可以研究大脑网络随韶光的变革情形。
原始建模实验表明，以较小的尺寸比例表示人脑活动是可行的。只管该模型是为二维芯片大脑数据开拓的，但 Cadena 证明该过程也适用于三维设备。
未来运用与实现条件
大脑活动芯片和干系模型开拓得到了浩瀚打算科学家、工程师和生物学家的支持。
Fischer 阐明称：「为了促进这种 3D 芯片大脑的发展，我们须要设计一种能够从三个维度实际监测神经元功能的芯片，但项目伊始，我们并不具备相应技能，以是必须从内部开拓。为此，我们须要节制大量的干系工程知识。」
同时还须要生物科学家团队的助力，以理解细胞的功能以及它们如何在设备上实现成长、造就和掩护。此外，打算机专家也须要开拓能够理解 Fischer 所说的正在天生的「大量数据」的算法。此外，他还指出这些算法有助于理解这类网络的韶光效应。
Fischer 称：「开拓这些繁芜系统的关键在于拥有广泛的专业知识。」
接下来，该模型旨在利用该模型研究对大脑功能产生负面影响的化学或生物制剂，并有兴趣制订出相应的研究方案。该模型可以为预测干系治疗效果助力。
此外，Fischer 称他们正在努力研究阿片类药物在该领域的影响，并希望开拓出更多关于大脑疾病和损伤的模型。该团队正在寻求外部资金支持，以利用 3D 芯片大脑来筛选治疗方法，并创建更多用于创伤性脑损伤等疾病和障碍的神经元模型。
末了，Fischer 表示：「这些项目将永久不会结束。我的意思是，当你确认了一件事情时，你回答了一个问题，但会有其他 10 个问题跳出来。现在我们想要探索的领域太多了。但我认为想要发展的关键便是这个得到打算模型补充的模型实验系统。我认为我们已经做到了这一点。」
参考链接：
https://www.llnl.gov/news/modeling-neuronal-cultures-brain-chip-devices
https://www.llnl.gov/news/lab-researchers-develop-3d-brain-chip-device-capable-long-term-recording-neural-activity
https://www.nextgov.com/emerging-tech/2020/08/lawrence-livermore-scientists-model-neural-activity-living-human-cells-brain-chip-devices/167911/
