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神经元是一种高度分化的细胞，也是神经系统的基本结构和功能单位，其主要负责感受刺激和传导兴奋。一旦受伤，修复起来十分缓慢；如果受损严重，有可能会造成不可修复的损伤。 神经元受损之后，常用的手段是神经修复术，这也是增强神经系统功能恢复的重要治疗手段。这些方式包括细胞移植、电刺激器、药物局部、组织工程、合成材料等多种方式。
近日，牛津大学 Hagan Bayley 教授团队开发出了一种完全由柔软、灵活生物材料制成的仿生合成神经（synthetic neuron，也可称之为合成神经纤维），且研究中合成的合成神经可以在厘米距离内快速传递电化学信号。 通稿称，这是首次在实验室构建出由生物相容性材料制成的合成神经，该研究有望为神经元损伤修复提供新思路。这种合成神经的成分是水滴和水凝胶纤维，它们通过脂质双分子层连接在一起。在这些界面上，信号传递由光驱动的质子泵提供动力，离子传导蛋白孔介导活动。研究显示，与机体内的神经元类似，实验室的合成神经也可以从其末端释放神经递质，从而引发下游反应。相关研究已发表在 Nature Chemistry 上。值得一提的是，研究团队还将多个合成神经捆绑成一条合成神经束，他们发现不同的信号可以沿着平行轴突同时传递不同信息。团队认为合成神经可能会在下一代植入物、软机器和计算设备中发挥作用。本文通讯作者 Hagan Bayley 是牛津大学化学生物学教授，曾联合创办 Oxford Nanopore。他实验室的研究方向是开发用于随机检测的工程蛋白质纳米孔，包括单分子共价化学和超快速生物聚合物测序。最近，Bayley 实验室还开发了制造活体和合成 3D 组织的技术。▲图 | Hagan Bayley 教授（来源：牛津大学官网）”该器件为高神经相容性的全柔性聚合物材质，采用了无线供能，支持电化学信号传递，并且可以制备成各种形状。人工合成真正的神经元是非常大胆且疯狂的想法，而文中介绍的这种合成神经是材料学领域的提法，是合成材料去模拟神经的部分功能，即神经拟态，比如说，文中提的电化学神经递质信号传递功能。未来，它有望取代现在普遍使用的贵金属导体神经电极以及有源缓冲电路。”中国科学院深圳先进技术研究院脑认知与脑疾病研究所正高级工程师、博士生导师李骁健告诉生辉。实验室首次合成神经，可平行传递多个信号受到神经生物结构和功能的启发，Hagan Bayley 及其同事设计出了一种与人类神经元工作方式相似的合成神经和合成神经束。根据论文中的介绍，这是一种光远程驱动的合成神经，由柔软生物材料制成，一束合成轴突有点类似于电缆，它们可以在厘米距离内传递感觉信息。合成神经的轴突由连续的水凝胶构成，然后通过同时使用离子和分子信号传递信息。研究人员进一步指出，这种由水凝胶制成的合成神经宽约 0.7mm，比人类神经宽大约 700 倍，可以长到 25mm，这种长度类似于从眼睛到大脑的人视神经，人的视神经大约长 30 毫米。视神经直接与大脑相连，负责将眼部接受的信息沿着眼睛传输给大脑。（注：1mm=1000μm）合成神经过程中的一个关键在于古细菌视紫红质 3（CM-aR3）蛋白的光化学作用，这种蛋白是一种由光驱动的氢离子泵，在苏打盐红菌的紫红膜上被发现。含有 CM-aR3 的水液滴（感觉液滴）与水凝胶合成的轴突相连接形成感觉脂质双分子层。当光线照射在合成神经上时，光会激活古细菌视紫红质 3（CM-aR3）蛋白，从而将氢离子（H+）泵入细胞内，产生离子信号，然后这些带正电的离子会携带电信号穿过合成神经。Hagan Bayley 称，信息传递的速度很快，甚至可能比机体内神经元传递信息的速度都要快。在试验中，他们发现由水凝胶制成的合成轴突电阻更低，可传递更强的信号。当正电荷进入合成神经末端时，会促使神经递质三磷酸腺苷 (ATP) 从一个水滴迁移到另一个水滴。在未来的工作中，研究人员希望通过 ATP 信号使合成神经与另一个神经相互作用，达到类似于突触的作用。突触是神经元的冲动或者信号传到另一个神经元或传到另一细胞间相互接触的结构，不同的神经元通过突触部位相互连接、相互传递信号。接下来，该团队还将七个合成神经捆绑在一起组成合成神经束，每条合成的神经束都包含多个平行信号通路的三维排列。研究人员以三种不同频率的光脉冲刺激，还使用三种不同的光感蛋白启动信号。研究发现，合成神经束可以同时并行工作，传递不同的信息。Hagan Bayley 在官方通稿中表示，这说明我们能够同时发送多个信号，这些信号的频率各不相同，最后实现通过同一条通路传递不同信号的效果。真正进入临床应用还有一段距离根据外媒报道，这种软性生物材料制成的合成神经未来有潜力应用于修复心脏和眼睛等器官。英国巴斯大学物理学教授 Alain Nogaret 比较看好这项研究的价值。他认为，到本世纪末，这项创新研究可能在改善人工视网膜等神经植入物方面发挥重要作用。在软材料中模拟神经活动是朝着非侵入性脑机接口和解决神经退行性疾病的解决方案迈出的重要一步。Hagan Bayley 本人也认为合成神经具有更多治疗潜力。“我们希望使用这些合成神经同时递送不同类型的药物，以更快、更准确地治疗伤口。在光的配合下，或许可以有规律、有节奏地释放这些药物分子，达到更好的治疗效果。”研究人员在论文中还指出，这种柔软无限合成神经装置可能会在下一代生物电子学的应用中发挥重要作用，包括应用于神经机器人、神经假肢、计算、医疗等。比如说，单个设备可以通过非生物 - 生物接口发送和接收信号，用于医疗监测和疾病治疗。看好合成神经价值的同时，Hagan Bayley 也强调现阶段要客观理性分析该研究的优势以及局限性。“合成神经研究处于早期研究探索阶段，其中存在很多挑战和难题，未来还有很长的一段路要走。”需要说明的一点是，目前，在实验室合成的神经与真正的神经元不同，还缺少一些机制和功能。李骁健也认为，这篇文章报道的成果还只是概念原型的验证。他进一步提醒，首先这种以水凝胶为主体的器件的直径过于庞大，需要压缩数百倍才能和真实神经元尺度接近；再者该器件是携带定量的神经递质用于可控释放，没有真正神经元的递质合成和回收机制，使用寿命很有限。以上两点是后续应用于临床最需要解决的问题。在本研究中，合成神经可以在一周内保持功能，不过设备的发挥功能的时间尚未完全探索清楚。光照时长、仿生元件等都可能会影响合成神经的寿命。此外，本研究中，利用光控制和调节合成神经的活动以及给药情况，光的波长、温度等也是真正应用于临床需要考虑的方面。- https://www./article/2317032-artificial-nerve-cells-have-been-made-in-the-lab/
- https://www./articles/s41557-022-00916-1
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