理解神經(jīng)系統(tǒng)，不只是研究細(xì)胞本身，更是解碼生物學(xué)中最復(fù)雜的系統(tǒng)之一。神經(jīng)元形成動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，通過電信號(hào)與化學(xué)信號(hào)持續(xù)交流，并與星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞及周圍微環(huán)境相互作用。在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)這種復(fù)雜性極具挑戰(zhàn)，但對(duì)研究神經(jīng)發(fā)育、功能與疾病機(jī)制至關(guān)重要[1]。

這正是體外模型的價(jià)值所在。它能在保留關(guān)鍵生物學(xué)行為的前提下，適度簡化復(fù)雜體系，便于研究者解析特定分子與細(xì)胞機(jī)制。歷經(jīng)發(fā)展，體外模型已從簡單的平面培養(yǎng)，演進(jìn)為高精度3D培養(yǎng)系統(tǒng)、類器官與可控微環(huán)境體系[2]，不同模型從不同維度揭示神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。

二維神經(jīng)元培養(yǎng)通常是神經(jīng)科學(xué)研究的起點(diǎn)，這得益于其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：它提供干凈、可控的環(huán)境，可高精度觀察單個(gè)細(xì)胞及其行為。在2D體系中，神經(jīng)元在平面基質(zhì)上生長，便于追蹤神經(jīng)突生長、極性建立與突觸形成，同時(shí)具備極佳的光學(xué)可達(dá)性，適用于高分辨率熒光成像、鈣成像與活細(xì)胞分析[3]。

這種簡潔性讓研究者可聚焦特定細(xì)胞機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)高度定量分析。如今，二維神經(jīng)元培養(yǎng)已成為自動(dòng)化成像工作流程的核心，通過高內(nèi)涵成像和基于人工智能的分析對(duì)數(shù)以千計(jì)的細(xì)胞進(jìn)行分析[4]。經(jīng)過成像優(yōu)化的耗材，如(μ-Plate 96 well)96孔培養(yǎng)板和(μ-Plate 384 well)384孔培養(yǎng)板板，以穩(wěn)定培養(yǎng)條件與可靠光學(xué)質(zhì)量支持這些方法，使檢測細(xì)微的表型變化更加容易。

然而，2D培養(yǎng)的神經(jīng)元仍然缺乏天然組織中的空間背景和機(jī)械刺激，這可能影響網(wǎng)絡(luò)形成、連接和對(duì)刺激的響應(yīng)方式。盡管如此，2D培養(yǎng)仍然是重要的基礎(chǔ)，尤其是在精度和可重復(fù)性至關(guān)重要時(shí)。

從2D到3D的轉(zhuǎn)變，不僅僅是幾何形狀的改變，更是神經(jīng)元行為的深刻革新。與在平面上鋪展不同，細(xì)胞開始在周圍的基質(zhì)中導(dǎo)航，自主決定生長的位置、連接的方式以及網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。這種三維環(huán)境引入了空間約束、局部梯度和機(jī)械阻力，所有這些都影響著神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的形成和隨時(shí)間的演化。

這創(chuàng)造了一個(gè)更接近生理的微環(huán)境，細(xì)胞不僅彼此相互作用，還與周圍基質(zhì)相互作用，從而形成更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)、改善分化并獲得更具生理學(xué)相關(guān)性的行為。神經(jīng)球狀體（Neural spheroids）是常見的例子，細(xì)胞自組織成致密、相互連接的結(jié)構(gòu)，模仿了組織組織的某些方面。

在3D培養(yǎng)系統(tǒng)中，腦類器官代表了更高層次的生物學(xué)復(fù)雜性。這些系統(tǒng)源自多能干細(xì)胞，包括誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，它們能自組織成類組織結(jié)構(gòu)，具有多重神經(jīng)細(xì)胞類型和區(qū)域特異性身份。這些系統(tǒng)使研究者能夠在體外重現(xiàn)人類大腦發(fā)育和功能的關(guān)鍵方面，從早期模式化到網(wǎng)絡(luò)形成，并用于研究神經(jīng)發(fā)育障礙、神經(jīng)退行性疾病以及影響大腦的病毒感染[5,6]。

圖2.小鼠神經(jīng)干細(xì)胞經(jīng)視黃酸誘導(dǎo)分化后，在多聚-L-賴氨酸包被玻璃上形成的神經(jīng)球。神經(jīng)元用Tuj1染色，星形膠質(zhì)細(xì)胞用GFAP染色，細(xì)胞核用DAPI染色。圖片提供：Lina Papadimitriou, Anthi Ranella, TERMIM Lab, Institute of Electronic Structure and Laser, Crete, Greece

現(xiàn)代3D系統(tǒng)的強(qiáng)大之處在于，能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性與受控環(huán)境相結(jié)合。標(biāo)準(zhǔn)化的耗材，如：

? μ-Plate 96 Well 3D(96孔3D培養(yǎng)板)：支持高通量環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的凝膠基質(zhì)實(shí)驗(yàn)

? μ-Slide 15 Well 3D(15孔3D培養(yǎng)載玻片）：支持受控的基質(zhì)包埋，試劑消耗量低

一個(gè)極具吸引力的問題是：細(xì)胞團(tuán)何時(shí)從單純模型轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆渚W(wǎng)絡(luò)功能的系統(tǒng)？

腦類器官并不具備意識(shí)層面的“思考”，但能實(shí)現(xiàn)令人矚目的功能活動(dòng)：產(chǎn)生自發(fā)電活動(dòng)、形成同步放電節(jié)律、構(gòu)建功能性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。它們并非在思考，而是開始彼此“對(duì)話”。

這些早期相互作用，為解析大腦自我構(gòu)建過程提供獨(dú)特視角。研究者可實(shí)時(shí)觀察信號(hào)如何產(chǎn)生、連接如何穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)行為如何演化，這使得類器官成為活體測試系統(tǒng)，我們可以在其中實(shí)時(shí)研究功能形成的初步階段。

同時(shí)，類器官也帶來了挑戰(zhàn)。缺乏血管化限制了營養(yǎng)供應(yīng)和生長，而樣本間的變異性可能影響可重復(fù)性。因此，謹(jǐn)慎的操作和穩(wěn)定的培養(yǎng)條件對(duì)于獲得一致可靠的結(jié)果至關(guān)重要。

構(gòu)建結(jié)構(gòu)只是研究的一部分。要真正理解神經(jīng)元行為，必須精準(zhǔn)調(diào)控周圍微環(huán)境。細(xì)胞對(duì)流體剪切力、濃度梯度、空間排布等物理與化學(xué)信號(hào)高度敏感，這些信號(hào)決定網(wǎng)絡(luò)的形成與功能。

在神經(jīng)系統(tǒng)中，內(nèi)皮細(xì)胞持續(xù)處于流體環(huán)境中，剪切應(yīng)力影響細(xì)胞形態(tài)、信號(hào)傳導(dǎo)與屏障完整性。體外可控流體體系，可用于研究血腦屏障功能與功能異常機(jī)制。

微流控系統(tǒng)可精準(zhǔn)調(diào)控流體、梯度與營養(yǎng)交換，為原本靜態(tài)的培養(yǎng)增加動(dòng)態(tài)條件，從而提高生理學(xué)相關(guān)性[7]。例如：

? μ-Slide I Luer 3D （單通道3D培養(yǎng)載玻片）

? μ-Slide Spheroid Perfusion （球體灌注通道培養(yǎng)載玻片）

等上述平臺(tái)可將3D培養(yǎng)與受控流動(dòng)相結(jié)合，用于可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)。

圖3.微流控系統(tǒng)中的受控流動(dòng)引入了剪切應(yīng)力和梯度，從而在體外實(shí)現(xiàn)了更具生理學(xué)相關(guān)性的細(xì)胞行為和血腦屏障功能

微圖案技術(shù)（Micropatterning technologies）進(jìn)一步提升神經(jīng)模型的可控性：通過限定神經(jīng)元黏附位置與連接方式，引導(dǎo)神經(jīng)突沿預(yù)設(shè)線路生長，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，用于研究神經(jīng)連接、信號(hào)傳遞與細(xì)胞間相互作用。

這些技術(shù)組合，將體外模型從靜態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)系統(tǒng)，讓細(xì)胞與微環(huán)境的互作驅(qū)動(dòng)功能發(fā)生。

圖4.在μ-Slide VI ^0.4 μ-Pattern ibiTreat lin20, pit170上培養(yǎng)的人類RealDRG。細(xì)胞接種前，載玻片在37°C下用絲素蛋白預(yù)包被2小時(shí)。細(xì)胞培養(yǎng)72小時(shí)后，進(jìn)行固定并用MitoTracker和DAPI染色。圖片提供：Moran Amit課題組，MD Anderson Cancer Center，University of Texas

不存在一個(gè)單一、完美的體外神經(jīng)系統(tǒng)模型。每個(gè)系統(tǒng)都捕捉了不同層級(jí)的復(fù)雜性，從孤立的細(xì)胞機(jī)制到類組織結(jié)構(gòu)和受控的相互作用。

真正的力量在于結(jié)合這些方法：

? 以2D體系解析機(jī)制

? 以3D培養(yǎng)提升生理相關(guān)性

? 以動(dòng)態(tài)微環(huán)境逼近體內(nèi)真實(shí)條件

使研究者能夠構(gòu)建對(duì)神經(jīng)元生物學(xué)更全面的理解。

隨著這些技術(shù)不斷發(fā)展，它們不僅在改進(jìn)我們研究大腦的方式，也在重新定義神經(jīng)科學(xué)研究的無限可能。

[1] Wu Y-Y, et al. Opportunities and challenges for the use of induced pluripotent stem cells in modelling neurodegenerative disease. Open Biology. 2019;9(1).

[2] Zhu H, et al. Recent advances in 3D models of the nervous system for neural regeneration research and drug development. Acta Biomaterialia. 2025;202:1-26.

[3] Menduti G, Boido M. Recent Advances in High-Content Imaging and Analysis in iPSC-Based Modelling of Neurodegenerative Diseases. Int J Mol Sci. 2023;24(19).

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[5] Li Y, et al. Advances and Applications of Brain Organoids. Neurosci Bull. 2023;39(11):1703-1716.

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