美國加州大學(xué)圣迭戈分校桑福德干細胞研究所研發(fā)了一種石墨烯介導(dǎo)的光刺激（GraMOS）新技術(shù)，能加速大腦類器官發(fā)育和成熟。這是一種安全、非遺傳、生物相容且無破壞性的技術(shù)，能夠在數(shù)天至數(shù)周內(nèi)有效調(diào)控神經(jīng)活動。該技術(shù)對揭示神經(jīng)退行性疾病的奧秘至關(guān)重要，還能實現(xiàn)類器官對機器人設(shè)備的實時控制。相關(guān)研究成果以“Non-genetic neuromodulation with graphene optoelectronic actuators for disease models, stem cell maturation, and biohybrid robotics”為題，發(fā)表于新一期《自然·通訊》雜志上。

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GraMOS實現(xiàn)對機器人實時控制

該技術(shù)能夠在不改變細胞遺傳密碼的前提下，顯著加快大腦類器官的成熟過程，從而為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究、腦機接口開發(fā)以及活體神經(jīng)組織與技術(shù)系統(tǒng)的融合開辟全新路徑。大腦類器官在研究神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和疾病機制方面具有重要價值。然而，這種類器官通常成熟緩慢。以往的神經(jīng)刺激手段要么依賴基因改造，要么使用直流電刺激，而后者往往會對脆弱的神經(jīng)元造成損傷。

GraMOS技術(shù)巧妙利用了石墨烯獨特的光電特性，將光信號轉(zhuǎn)化為溫和的電刺激，從而促進神經(jīng)元之間的連接與信息交流。這種方式模擬了真實大腦在自然環(huán)境中接收到的輸入信號，能夠在不使用侵入性手段的情況下推動神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育。研究顯示，定期應(yīng)用GraMOS可促使大腦類器官形成更牢固的神經(jīng)連接、更有序的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及更高效的通信能力，這一效果在阿爾茨海默病患者來源的類器官模型中同樣顯著。這不僅有望縮短藥物篩選和測試的時間周期，也為理解阿爾茨海默病等疾病如何破壞大腦回路提供了新的視角。

此外，在一項引人注目的概念驗證實驗中，團隊將連接石墨烯的大腦類器官整合到一個配備環(huán)境傳感器的機器人系統(tǒng)中。當(dāng)機器人探測到前方障礙物時，會自動發(fā)送光信號刺激類器官，類器官隨即產(chǎn)生特定的神經(jīng)活動模式，觸發(fā)機器人改變行進路線，整個感知—反應(yīng)循環(huán)在短短50毫秒內(nèi)完成。這一成果預(yù)示著未來可能出現(xiàn)的神經(jīng)生物混合系統(tǒng)，活體神經(jīng)組織將與機器人協(xié)同工作。

這項研究標(biāo)志著石墨烯在神經(jīng)科學(xué)、納米技術(shù)和神經(jīng)工程領(lǐng)域的應(yīng)用取得重要突破，有望發(fā)展為研究神經(jīng)退行性疾病和發(fā)育性腦病的強大平臺，還可拓展至組織工程領(lǐng)域。

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