人工制造一个大脑神经网络需要什么？能治疗脑病吗？
先用薄如蝉翼的石墨烯构建出一个四通八达的三维框架，再把神经干细胞移植到直径几纳米至几十纳米的碳纳米管中，辅以必要的电刺激，就能“孵化”出所需要的神经元细胞……一个“互联互通”的人造神经网络就形成了！
我们可以用它进行药物试验或植入大脑，替代病变凋亡的脑神经组织。有了这个神奇的碳神经支架，阿尔茨海默症、帕金森综合症、脑胶质瘤等令人束手无策脑部疾病，或许将能有效治疗。
我们为什么要模拟大脑神经网络？
脑科学研究不仅是当前国际科技前沿的热点领域，也是理解自然和人类本身的“终极疆域”。人类大脑神经网络由神经元细胞，大脑中的神经元总量高达860亿个，被称为宇宙中已知最复杂的机体构造。而神经元一旦发生病变、凋亡就无法再生。
目前，美国将神经元三维形态和基本类型作为重点研究领域，我国“科技创新2030重大项目”也已启动“脑科学与类脑研究”。目前，各国开展的脑科学研究主要集中在对大脑神经网络的功能认识上。如何利用已知的成果，进行脑部疾病治疗还需假以时日。要想了解并治疗困扰人类的复杂脑部疾病，如精神分裂症、自闭症、抑郁症等，合适的研究模型必不可少，并且必须精确反映大脑原貌。
“人造大脑”的培育方法和其它类器官大体相同，如肠道、肝脏和肾脏等。科学家在特定条件下培育多功能干细胞，使其分化成特定细胞类型。例如在培育大脑神经网络时，我们可以根据需要，让神经干细胞分化成为特定的神经元细胞，用于治疗帕金森综合症就分化成为多巴胺能神经元细胞，治疗阿尔茨海默症就分化成为胆碱能神经元细胞。
碳材料能否担当“人造神经网络”重任
“我们早在2013年就率先提出碳神经支架的概念，并且在国际上率先完成相关材料制备。”中科院纳米-生物界面重点实验室研究员程国胜告诉记者。有人会问，这看起来黑乎乎、硬邦邦的碳材料，跟柔软、致密的脑神经网络似乎风马牛不相及啊？程国胜解释说，石墨烯被认为是一种未来革命性的材料，它的力学、电学特性都非常突出，用它模拟大脑皮层结构非常合适。而碳纳米管可以做到非常小的孔径，比如用在碳神经支架中，碳纳米管的直径大约为几纳米至几十纳米，仅相当于头发丝直径的1/1000。
过去，人们认为碳材料在体内不能快速的降解，从而限制了其作为生物材料的用途。“过去，碳材料的降解周期大约为3-5年，通过研究攻关，现在已经降到1-2年。”程国胜说，这就为碳材料在生物领域应用铺平了道路。
用碳神经支架治疗脑部疾病可行吗?
“我们把体内正常的神经干细胞移植到碳纳米管中，就可以分化出特异性神经元，从而形成一个‘互联互通’人造神经网络。”程国胜说。过去，神经干细胞被放在二维的培养皿中观察、培养，无法很好的模拟脑部实际环境，这也就为后期的研究增加了不确定性。后来，人类发明了胶原支架、水凝胶支架，这两种支架解决了模拟脑部微环境的问题。但是，科学家还在不停地探索新型材料的制备。
终于，由中国科学家提出并制备的碳神经支架获得成功。这种支架的最大优势在于导电性，“我们知道，人类大脑神经组织活动与电密切相关”，程国胜告诉记者，在研究中他们发现利用电刺激可以有效地促使神经干细胞定向分化，其效率可提升20%左右。比培养皿中一团“自然生长”的神经元细胞，定向分化出来的脑神经元细胞，无疑重要的多。
研究中，科学家将脑胶质瘤细胞“种植”在构建的大脑皮层模型中，结合先进的成像和分析技术，就能清晰看到肿瘤细胞的发展进程。此外，他们还构建了药物模型，以观察不同抗癌药物对肿瘤的抑制效果。
“这种支架需要1-2年可在体内降解，未来有可能移植到大脑，用于阿尔茨海默症、帕金森综合症等疾病的治疗。”中科院纳米-生物界面重点实验室研究员程国胜说，针对多种神经退行性疾病的治疗，医学界已经提出移植神经干细胞的构想。三维碳神经支架将是很好的载体，它能帮助医生将神经干细胞精准放置到病变地点，并帮助其增殖、分化，以实现治疗的目的。（来源：科技日报 文/记者 张晔）
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