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這是一個受磁場驅(qū)動的微型機(jī)器人，動圖中它正朝著目標(biāo)蹦跶。

恒定磁場下，它還能給大家表演一個轉(zhuǎn)圈圈。

可能有些人會覺得，磁驅(qū)動微型機(jī)器人已經(jīng)并不罕見了，甚至有點(diǎn)兒平平無奇。

但是，上面這款機(jī)器人可不普通，它帶有神經(jīng)元，能通過體外方式在神經(jīng)簇之間形成并操縱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。因此，為大腦功能和相關(guān)疾病的研究實(shí)現(xiàn)了新突破。

為何構(gòu)建「體外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)」？

這款機(jī)器人由韓國腦研究所和韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)院（DGIST）下屬的機(jī)器人工程系、DGIST-ETH 微型機(jī)器人研究中心、腦與認(rèn)知科學(xué)系共同研發(fā)。

2020 年 9 月 25 日，該團(tuán)隊(duì)的論文正式發(fā)表于頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》子刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances），題為 A magnetically actuated microrobot for targeted neural cell delivery and selective connection of neural networks（一種用于定向神經(jīng)細(xì)胞傳遞和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選擇性連接的磁驅(qū)動微型機(jī)器人）。

一直以來，腦科學(xué)研究者都在嘗試，希望更加深入地理解大腦的學(xué)習(xí)、記憶、運(yùn)動、感覺處理和決策等功能，而大腦中這些功能的實(shí)現(xiàn)都離不開神經(jīng)連接。

要研究神經(jīng)研究，科學(xué)家們提出了一種通過化學(xué)和電生理方法進(jìn)行腦功能分析的「體外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)」研究方法。

為什么要在體外研究甚至是操縱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)？

原因在于，這種方法可以在盡可能降低外部影響的前提下，在大腦目標(biāo)位置進(jìn)行精確的、有選擇性的神經(jīng)連接，從而測量神經(jīng)活動、確定神經(jīng)元的交流方式。當(dāng)然，它也可以幫助理解受傷或功能出現(xiàn)障礙的神經(jīng)元軸突再增長。

微米級磁驅(qū)動機(jī)器人

那么，體外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)要如何實(shí)現(xiàn)呢？

為了形成并控制細(xì)胞神經(jīng)突生長的模式，各國科學(xué)家們都曾嘗試過了化學(xué)、物理、機(jī)械方式，而韓國腦研究所和韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)院（DGIST）科學(xué)家們的思路則是設(shè)計一款機(jī)器人。

當(dāng)前，已有研究成果表明，由磁驅(qū)動的球形、螺旋狀和毛刺狀多孔球形微型機(jī)器人可在體內(nèi)或體外實(shí)現(xiàn)靶向細(xì)胞傳遞。

但韓國研究團(tuán)隊(duì)表示：

此前的研究主要集中在制造各種外形的微型機(jī)器人，并在外部電源下將細(xì)胞裝載到微機(jī)器人上。據(jù)我們所知，還沒有科學(xué)團(tuán)隊(duì)報道過利用微型機(jī)器人調(diào)節(jié)神經(jīng)突排列和神經(jīng)連接的研究。

因此，他們設(shè)計了一種載有神經(jīng)元的 3D 磁驅(qū)動微型機(jī)器人，可通過外部磁場將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精確傳送到兩個神經(jīng)簇之間的間隙處，再選擇性地連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。同時，細(xì)胞外動作電位通過微型機(jī)器人載有的神經(jīng)元從一個神經(jīng)簇傳送到另一個神經(jīng)簇。

據(jù)論文介紹：

我們設(shè)計的機(jī)器人具有可重現(xiàn)、可選擇和精確連接的優(yōu)勢。

上圖 A 展示的是兩個神經(jīng)簇之間的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主動構(gòu)建，這一過程中主要依賴的是內(nèi)置于機(jī)器人的一片高密度多級陣列芯片，這種芯片可以測量到軸突信號傳輸。

上圖 B 主要展示了微型機(jī)器人的具體尺寸——高 27μm、寬 5μm、深 2μm。

可以看到，機(jī)器人頂部有一個凹槽，側(cè)面還有翻轉(zhuǎn)指示。

C 部分展示了利用基于雙光子聚合（TPP）的三維激光光刻技術(shù)和沉積鎳（Ni，用于磁性）層、二氧化鈦（TiO2，用于生物相容性）層制備機(jī)器人的過程。

D 部分則是機(jī)器人的掃描電子顯微鏡圖像，可見這種機(jī)器人是微米級大小的。

機(jī)器人培養(yǎng)神經(jīng)元

機(jī)器人設(shè)計好了，下一步就要開始嘗試培養(yǎng)神經(jīng)元了。

實(shí)驗(yàn)中：

• 實(shí)驗(yàn)組是：機(jī)器人凹槽上小鼠顱腦神經(jīng)細(xì)胞的神經(jīng)突增長；

• 對照組是：玻璃基質(zhì)（也就是平面）上小鼠顱腦神經(jīng)細(xì)胞的神經(jīng)突增長。

科學(xué)家們利用免疫熒光圖像展示了兩組的神經(jīng)元凸起數(shù)量變化。

結(jié)果顯示：

• 實(shí)驗(yàn)組（機(jī)器人）：細(xì)胞高度約 40μm；

• 對照組（玻璃基質(zhì)）：只觀察到少量細(xì)胞。神經(jīng)突厚度約為 2-5μm，神經(jīng)元胞體厚度約為 10-20μm。

也就是說，與對照組相比，利用機(jī)器人可以成功培養(yǎng)出神經(jīng)元，在對存活率沒有顯著影響的情況下神經(jīng)突也得以增長。

研究團(tuán)隊(duì)表示：

微型機(jī)器人具有在 2 周內(nèi)運(yùn)輸、培養(yǎng)神經(jīng)元以及以所需方向引導(dǎo)、連接神經(jīng)突生長的潛力。

體外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)新突破

在神經(jīng)元培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，這款微型機(jī)器人打造了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而這一過程是通過在神經(jīng)簇陣列上對機(jī)器人施加磁場影響實(shí)現(xiàn)的。

科學(xué)家們的設(shè)計是，通過 8 個電磁線圈半球的線性疊加及其頂部的一個電荷耦合裝置（ CCD）相機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)度為 20 mT 和 1.2 Hz 的磁場。

下圖中，白色虛線框表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，紅色虛線框表示機(jī)器人的目標(biāo)點(diǎn)。

實(shí)際上，要想實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主動連接，一個關(guān)鍵就是將培養(yǎng)在機(jī)器人上的神經(jīng)元精確地傳遞和定位到指定位置。雖然附著在機(jī)器人上的細(xì)胞增加了額外重量，可能會影響機(jī)器人的前進(jìn)，但科學(xué)家們借助磁場實(shí)現(xiàn)了精確控制——精度在幾十 μm 級別（誤差范圍約 10％）。

如上圖所示，神經(jīng)元在 10 秒內(nèi)到達(dá)了目標(biāo)位置，并在 1 分鐘內(nèi)精確對齊了連接網(wǎng)絡(luò)所需的神經(jīng)簇。

不僅如此，科學(xué)家們還經(jīng)過測定顯示：微型機(jī)器人的運(yùn)作并不會影響細(xì)胞活力。

至此，利用微型機(jī)器人培養(yǎng)神經(jīng)元、形成物理和功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接成為可能。

就未來的發(fā)展方向而言，研究團(tuán)隊(duì)表示：

希望我們的研究成果為先進(jìn)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可控體外模型創(chuàng)造了新突破，我們也正在利用各種微型機(jī)器人建立復(fù)雜多樣的連接，希望增進(jìn)人們對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理解。