从打印到交互，3D打印神经元向真实脑组织发送信号

美国西北大学的研究人员开发出能够向真实脑细胞发送信号并收到回应的3D打印神经元。据研究团队称，这些打印结构可以与活体神经元进行“交流”。这虽是一个初步成果，但建立在多年生物打印进展的基础上，并将推动功能性生物打印系统的持续发展。

多年来，科学家已经能够3D打印出模仿人体部分结构的材料。在某些情况下，他们甚至能将活细胞打印成有序的结构。但让这些打印系统像真实组织（尤其是像大脑这样复杂的器官）一样活动，仍然是一个巨大挑战。

Mark Hersam 

除了生物学意义，这项工作还与开发更高效、类脑计算系统的宏大目标相关。通过模仿神经元传递信号的方式——这是大脑（已知最高效的计算机）的一个关键特征——未来的系统有望以远低于当今高能耗技术的功率执行复杂运算。

神经元在大脑中传递信号，控制从运动到记忆的一切。研究人员的问题是：3D打印的神经元能否执行类似功能，即发送信号并与真实的脑细胞互动？

在这项发表于《自然·纳米技术》杂志、题为《用于多阶复杂度脉冲神经元的打印MoS₂忆阻纳米片网络》的研究中，由西北大学材料科学专家、专注于类脑计算的Mark Hersam领导的团队，描述了如何利用气溶胶喷印技术构建出微小的、纳米级电子网络，使其具备类似神经元的行为。

Hersam解释说，该系统使用基于二硫化钼和石墨烯等软材料的电子墨水，打印在柔性聚合物表面上，而非传统的刚性硅基板上。打印出的神经元被放置于从小鼠身上提取、并在实验室中保持活性的真实脑细胞旁边。随后，打印神经元发送信号，真实神经元做出了响应。换句话说，这两个系统——一个是打印的，一个是生物的——能够进行通信。

这一成果是创建可与真实脑细胞和活体组织直接交互的打印系统的更广泛努力的一部分，旨在模仿自然行为。大脑尤其具有挑战性，因为它依赖于神经元之间持续、精确的交流。即使是微小的干扰也可能改变信号的处理方式。但是，通过证明打印神经元能触发真实脑细胞的反应，研究人员展示了3D打印系统可以开始参与这一通信网络。目前仍处于早期阶段，实验设置受控且范围有限，但它指明了未来的可能。

这项工作标志着向能够与神经系统直接通信的电子产品迈出了一步，在脑机接口和神经假体（包括用于听觉、视觉和运动的植入物）方面具有潜在应用前景。这些设备直接与大脑连接以发送或接收信号，但目前依赖传统电子器件。如果打印组件能更自然地与脑组织协同工作，它们可能带来更易被身体接受、也更有效的接口技术。

该研究对治疗神经系统疾病也有启示。如果科学家能够学会如何引导和控制打印神经元与真实神经元之间的通信，最终可能有助于修复大脑受损区域，尤其是在神经连接丢失或中断的情况下。

此外，人们对构建受大脑信息处理方式启发的系统——通常称为神经形态计算——兴趣日益浓厚。像这样将生物行为与工程结构相结合的工作，为未来如何构建此类系统提供了新的思考方向。

Hersam表示：“我们今天生活的世界由人工智能主导。让人工智能更聪明的方法是用越来越多的数据训练它。这种数据密集型的训练导致了巨大的功耗问题。因此，我们必须开发更高效的硬件来处理大数据和人工智能。由于大脑的能效比数字计算机高出五个数量级，从大脑中寻找下一代计算的灵感是合乎逻辑的。”

研究人员朝着这个方向已努力了一段时间。近年来，诸如莫纳什大学等团队已使用3D生物打印创建出能够生长和通信的活体脑细胞网络，主要用于研究和药物测试。与此同时，其他团队则利用忆阻器等电子元件开发出人工神经元，以模仿大脑处理信息的方式进行计算应用。但西北大学这项研究的不同之处在于，它将这两种方法更紧密地结合在一起——该团队没有打印活细胞或构建传统的刚性电子器件，而是创造了行为类似于神经元并能与真实脑组织直接交互的打印电子系统。

尽管这项研究非常先进，但它还不是一个功能齐全的人工大脑，也不是目前可以植入或用于临床的东西。这里展示的互动是第一步，证明了在受控条件下通信是可能的。要将其转化为实际应用，还有很长的路要走。