BIOCONNET平台问世——用「乐高」式思维在培养皿中搭建可控的人脑皮质网络

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理解大脑皮质网络的构建原理，是神经科学的核心命题。

然而，现有的研究模型始终面临两难：传统的二维培养让神经元随机混杂，无法还原大脑中精密的「电路图」；而微流控芯片虽能引导连接，却是封闭系统，不仅限制了三维网络的整合，更让科学家无法取出细胞进行深入的分子分析。类脑器官虽然复杂，但内部结构随机，难以进行精准的「拆解」和「操纵」。

如何构建一个既开放、可控，又支持多层级分析的皮质网络模型？伦敦国王学院（King's College London）给出了一个名为「BioConNet」的精妙答案。这是一种工程化开放平台，可用于在体外精确构建和分析人类皮层神经网络结构。

相关研究内容以「Engineering Cortical Networks: An Open Platform for Controlled Human Circuit Formation and Synaptic Analysis In Vitro」为题，发布在《Advanced Healthcare Materials》。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202500857

开放、可控、可回收的「神经元电路板」

BIOCONNET 的核心，在于用微纳加工技术，在培养皿中创造了一个引导神经元「按图索骥」生长的物理环境。

图 1：一个可控细胞位置和神经突方向性的开放平台。

研究团队首先通过软光刻技术，在 PDMS 表面制造出 10 微米见方的平行微沟槽。当诱导多能干细胞分化而来的人皮质神经元被种植其上时，它们的轴突和树突会自发地沿着沟槽方向延伸，形成有序的纤维束，而不是像在平坦表面上那样杂乱无章地缠绕。这相当于为神经元铺设了预设的「信号轨道」。

仅有轨道还不够，还需要精确控制神经元胞体的位置。团队设计了一个可移除的 PDMS 细胞接种导引器。它像一个临时的「浇筑模具」，被放置在微沟槽表面，形成一个开放的小池子。将神经元悬液注入其中，细胞会在此处聚集、贴壁，形成一个个位置精确的「神经元节点」。

图 2：研究人员利用3D打印模具铸造了生物相容聚合物，随后允许神经元在其中生长。

在细胞贴壁 48 小时后，这个导引器会被小心地移除，整个系统随即变成一个完全开放的培养环境。这彻底解决了传统微流控芯片「永远封死」的痛点。

从「能连上」到「可控地连」

在此基础上，团队对 BIOCONNET 平台的功能进行了系统验证，从方向性与节点形成、突触形成、活性调控、分子分析可行性这四个方面进行了测试，展示其在构建和分析神经元网络方面的强大能力。

免疫荧光染色显示，MAP2 标记的树突和 Tau 标记的轴突严格沿微沟槽方向生长，将不同「节点」连接起来。节点的位置和大小可通过导引器的设计精确控制，实现了网络的「乐高式」模块化组装。

通过突触标记蛋白的共定位分析，证实了在连接不同节点的纤维束上，形成了功能性的突触结构。这意味着，节点间确实建立了真实的神经连接，而非仅仅是物理接触。

图 3：评估两个节点之间的突触连接性。

借助表达光敏蛋白，团队实现了对特定路径的光遗传学精准刺激。结合钙成像技术，他们可以清晰地观察到，刺激一个节点如何诱发下游节点内的神经元产生钙瞬变，从而直接「看到」信号在预设网络中的定向流动。

作为概念验证，团队成功地从平台上收集了特定节点的细胞裂解物，并进行了蛋白质免疫印迹检测，证实了从这一开放系统中回收足够生物量用于分子分析的可行性。

神经科学的「模块化工具箱」

这项新技术 BIOCONNET 也可以轻松进行基因编程和分析。这意味着它可以用于研究与疾病相关的基因对神经回路的影响。归根结底，是神经回路控制着大脑如何处理信息。因此，了解基因如何影响回路功能将有助于更深入理解脑部相关疾病，并有助于开发治疗靶点。

它不像微流控那样用永久的围墙来限制，而是先用临时的「模具」引导细胞就位，然后移开模具，还给细胞一个开放自由的环境。这一设计理念的转变，让精准的结构控制与深度的分子解析首次在同一平台得以实现。

相关的资源已经在 PLOS biology和 GitHub 上发布，任何人都能看到网络的工程设计，并利用它创建类似的网络。