通过分析神经信号，绘制三维人工大脑模型的功能连接图

韩国科学技术研究院(KIST)宣布,崔医生Il-Joo赵和一家家的研究团队开发了一个分析系统,可以精确的非破坏性刺激适用于3 d实时人工神经电路和测量神经信号在细胞水平上从多个位置在模型。

　　

人脑比其他器官更难接近，因为它被厚而硬的头骨覆盖着。因此，研究一直局限于低分辨率成像或分析颅骨外测量的大脑信号。这已被证明是大脑研究的主要障碍，包括对不同发育阶段、疾病原因及其治疗方法的研究。最近，已有研究使用来自大鼠的原代神经元或人类来源的诱导多能干细胞(iPSCs)创建人工大脑模型，用于研究大脑发育过程和大脑疾病的原因。这些研究有望在解开大脑之谜方面发挥关键作用。

*诱导多能干细胞是一种能够分化成不同器官的干细胞，如胚胎干细胞，通过向体细胞(如成人皮肤细胞)注射分化诱导蛋白而获得。

过去，人工大脑模型是在2D中创建和研究的；然而，2017年，KIST的一个研究团队开发了一个更接近真实大脑的3D人工大脑模型。由于缺乏研究三维大脑模型中信号的分析框架，研究仅限于表面信号的分析，或者必须将三维结构改造成平面形状。因此，在复杂的互联人工网络中跟踪神经信号仍然是一个挑战。

韩国科学技术研究所（KIST）宣布，由Il-Joo Cho和Nakwon Choi博士组成的研究团队开发了一种分析系统，可以对三维人工神经电路施加精确的非破坏性刺激，并在细胞水平上从模型内部的多个位置实时测量神经信号。

用于测量神经信号的三维多功能系统是一个50μm宽的针状硅探针阵列（约为人头发宽度的一半），集成了63个微电极。当这个系统被插入到人工大脑模型中时，它能够同时测量来自神经回路内部多个位置的信号。该探针包含一个光纤和药物输送通道，可以使用光或药物精确刺激神经元。通过测量大脑模型在这些刺激下的功能变化，该模型可以用来研究大脑功能和大脑疾病。

利用该系统对人工大脑模型中的神经回路进行光学刺激，同时测量响应信号在多个位置的传播，研究团队证明，神经信号的传播速度因三维大脑模型内部的方向不同而不同。除了可以用电子显微镜构建的结构脑图外，这项研究还证明了构建3D功能脑图的可能性，该图显示了复杂人工脑网络中不同电路的功能连接方式。

**脑结构图：显示脑细胞或脑区之间物理联系的图。***脑功能图：显示神经元或区域之间的连接，这些神经元或区域通过交换信号来执行特定的脑功能。

来自KIST的Choi博士说：“新开发的系统使我们能够研究各种发育性脑疾病以及脑疾病的病因和治疗方法。”Co-PI Cho博士补充说：“这个系统能够从3D人工脑模型中进行功能测量，这在以前是不可能的。我们期望这一系统的开发将有助于从根本上减少开发药物或治疗各种脑部疾病所需的时间。

研究结果发表在最新一期的《自然通讯》(IF: 12.121)上。