即插即用传感器倾听大脑发育的声音

概括：人类大脑类器官——实验室培养的微小脑组织簇——是研究天使综合征等疾病的前沿领域。然而，研究一直受到传感器成本高昂的瓶颈，通常将研究限制在少于 10 个样本。研究人员利用 CAMEO（用于监测类器官电生理学的共形阵列）打破了这一障碍。

这种低成本的“篮状”传感器使用碳纳米管来支撑类器官并记录微妙的电信号。通过使这些传感器价格实惠且可扩展，该团队为大规模研究铺平了道路，最终可以解码人类大脑发育的复杂性。

主要事实

来源：北卡罗来纳州立大学

研究人员展示了一种新型低成本、可扩展的传感器，可用于监测人类大脑类器官的电活动。由于电信号是理解大脑功能的关键，这一进展促进了对神经发育和天使综合征等遗传性疾病的研究。

人类大脑类器官是毫米大小的组织，由通常在大脑不同区域发现的细胞类型组成。它们是通过培养干细胞制成的。这些类器官对许多研究领域都很重要，因为它们使研究人员能够以动物模型无法实现的方式研究神经系统细胞和组织的行为。

例如，天使综合征是一种与发育迟缓、智力障碍、言语障碍和运动问题相关的遗传性疾病。由于研究人员无法对人类发育中的大脑进行研究，因此人类大脑类器官是了解导致该疾病的遗传活动和开发治疗方法的宝贵平台。

“动物模型并不能真正捕捉到人类大脑的复杂性，这也是人类大脑类器官对大脑研究有吸引力的原因之一。”该研究论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学电气与计算机工程系助理教授 Amay Bandodkar 说道。

“人类大脑类器官研究的一个挑战是类器官样本之间可能存在显着差异，”该论文的第一作者、该研究的博士生 Navya Mishra 说。北卡罗来纳州立大学的学生。 “因此，为了产生具有生物学意义的结果，拥有大量样本非常重要。

“然而，目前用于类器官研究的传感器价格昂贵，原因在于它们的制造材料和制造工艺本身，”米什拉说。 “这造成了财务限制，导致研究人员在一项特定研究中通常使用不到 10 个类器官。”

“我们这项工作的目标是开发一种性能良好、能够以经济实惠的方式扩展且易于使用的传感器，”该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程副教授 Albert Keung 说。

为了应对这些挑战，研究人员开发了一种称为 CAMEO 的设备——用于监测类器官电生理学的共形阵列。该装置由 12 根碳纳米管束组成，呈篮状悬挂。

碳纳米管的加工方式保留了材料的灵活性和对电信号的敏感性。实际上，类器官悬浮在 CAMEO 中，就像篮子里的鸡蛋一样。每条链的末端都暴露出来，形成一个可以检测来自类器官的电信号的电极。然后信号通过碳纳米管束传输到可以记录电活动的设备。

在概念验证测试中，研究人员证明 CAMEO 能够监测类器官中的电活动，能够检测对生物研究至关重要的低振幅信号，并且能够检测由刺激神经系统电活动的化学物质引发的信号变化。

“这项工作是非常跨学科的，并且确实受益于 Navya 整合电气工程和神经发育生物学原理的冒险精神，”Keung 说。

“我们已经证明 CAMEO 的性能与之前用于监测类器官电活动的技术相当，”Mishra 说。 “最大的区别在于，我们的微电极阵列使用相对便宜的材料，制造难度也小得多，从而大大降低了成本。这应该使它更容易扩大规模，使研究人员能够进行更大规模的研究。

“希望许多实验室能够采用 CAMEO，因为拥有标准化的数据收集格式将使研究界更容易有效地共享数据，因为他们将使用相同的即插即用系统，”Mishra 说。

资金：这项工作是在 Angelman 综合症治疗基金会 FT2022-02 拨款和国家科学基金会 2025064 拨款的支持下完成的。

Mishra、Keung 和 Bandodkar 已提交一份披露文件，以保护与 CAMEO 技术相关的知识产权。

一个：老鼠很棒，但它们的大脑发育不像我们的。对于像天使综合症这样影响人类特有特征（如语言和复杂认知）的遗传疾病，动物模型常常达不到目标。类器官由人类干细胞制成，为测试新药提供了更准确的“生物双胞胎”。

一个：传统传感器通常是平坦的或刚性的，因此很难在 3D 组织球上获得良好的“读数”。 CAMEO 篮符合类器官的形状，确保 12 个电极与组织保持持续、轻柔的接触。这就像把球放在桌子上和把它握在手掌上的区别一样。

一个：间接地，是的。药物开发中最大的成本之一就是失败。通过允许科学家测试 100 个而不是 10 个类器官，他们可以更快地获得“具有生物学意义”的结果。这种更高的统计能力有助于在研究周期的早期确定成功的治疗方法。