视觉认知芯片的制作方法

文档序号:19583826发布日期:2019-12-31 20:21
视觉认知芯片的制作方法

本发明属于微流控芯片、人体器官芯片、人类认知及医药健康领域,涉及一种基于微流控芯片的视觉认知芯片。



背景狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台:

大脑55种重要功能中有24种功能与认知有关,认知是指人脑接受外界信息,经过加工处理,转换成内在的心理活动,从而获取知识或应用知识的过程。它包括记忆、语言、视空间、执行、计算和理解判断等方面;认知是处理信息的能力,感觉(即我们通过不同的感官得到刺激),是获得知识的重要过程,而我们的主观特征,使我们能够整合所有这些信息分析和解释我们的世界。换句话说,认知是我们对我们从不同的来源(感知,体验,信念......)接收到的信息吸收和处理,将它们转换成知识的能力。认知包括不同的认知过程,学习,注意力,记忆,语言,推理,决策等,是形成我们的智力发展的重要部分。

认知是机体认识和获取知识的智能加工过程,涉及学习、记忆、语言、思维、精神、情感等一系列随意、心理和社会行为。认知障碍指与上述学习记忆以及思维判断有关的大脑高级智能加工过程出现异常或上述几项认知功能中的一项或多项受损,从而引起严重学习、记忆障碍,同时伴有失语或失用或失认或失行等改变的病理过程。认知的基础是大脑皮层的正常功能,任何引起大脑皮层功能和结构异常的因素均可导致认知障碍。由于大脑的功能复杂,且认知障碍的不同类型互相关联,即某一方面的认知问题可以引起另一方面或多个方面的认知异常(例如,一个病人若有注意力和记忆方面的缺陷,就会出现解决问题的障碍)。当上述认知域有两项或以上受损,并影响个体的日常或社会能力时,可诊断为痴呆。认知障碍的临床表现为:1、感知障碍,如感觉过敏、感觉迟钝、内感不适、感觉变质、感觉剥夺、病理性错觉、幻觉、感知综合障碍;2、记忆障碍,如记忆过强、记忆缺损、记忆错误;3、思维障碍,如抽象概括过程障碍、联想过程障碍、思维逻辑障碍、妄想等。认知障碍是脑疾病诊断和治疗中最困难的问题之一,研究认知功能具有非常重要的意义,因此制作认知模型来研究人的感知认知功能与痴呆等认知障碍疾病具有十分重要的意义。

认知知觉允许我们组织和理解我们不同的感官接收到的刺激,如视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉。大脑中大约有80%的知识都是通过眼睛获取,人眼作为感知获取外界信息的人体重要器官之一,在24种认知功能中扮演了极其重要的角色。眼睛能辨别不同的颜色和亮度的光线,并将这些信息转变成神经信号,传送给大脑。因此研究人的认知过程就必须要从研究视觉认知开始,视觉认知是人最重要的认知。然而由于认知模型的复杂,目前还没有一种成熟的视觉认知模型,人体器官芯片(humanorgans-on-chips)狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台的出现为建立视觉认知模型提供了完美的狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台支持。

微流控芯片狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台(microfluidics)也被称为芯片实验室(lab-on-a-chip,loc),涉及物理、化学、医学、流体、电子、材料、机械等多学科交叉的研究领域。通过微通道、反应室和其他某些功能部件,对流体进行精准操控,对生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成分析,具有液体流动可控、集成化、消耗低、通量高、分析快等优点,已经被广泛应用于生物医学和环境科学等研究领域。基于微流控芯片狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台的人体器官芯片近几年来发展迅速,已经实现肺、肾、肠、肝、心脏、血管、皮肤、大脑、骨骼、乳腺、脾脏、血脑屏障等芯片的构建,通过与细胞生物学、工程学和生物材料等多种学科的方法相结合,体外模拟多种活体细胞、组织器官微环境,反映人体组织器官的主要结构和功能特征。

人体不同器官或整个系统的毒性检测是药代动力学和药效学研究的重要部分,传统的二维细胞培养模式以及动物实验取得了诸多成就,但受周期、成本、精准度、伦理、个体化或种属差异等因素的限制,难以预测人体对于各种药物的响应。研究表明:人体器官芯片狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台能准确地控制多个系统参数,与传统的动物实验相比更能反映人体内真实情况,在新药筛选方面更具特异性。因此,利用微加工狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台,建立更接近人体环境的仿生系统成为体外生理模型的研究热点。

然而,随着器官芯片狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台的发展,其应用仍然存在一定的局限性,大部分生理途径需要连续介质循环和组织间相互作用,单器官芯片无法全面反映机体器官功能的复杂性、功能变化和完整性。为适应人体结构复杂性,未来的研究需要建立更加复杂的多器官微流控芯片(multi-organ-chip,moc)系统,将几种器官等同物合并到类似人类的代谢环境中,开发动态的实验室微生物反应器,进行系统的毒性检测和代谢评估。

器官芯片狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台的发展为建立视觉认知模型提供了很好的保障,尤其是多通道3d微流控细胞培养系统的出现,为体外培养多种细胞,研究多细胞之间相互关系奠定了良好的基础。多通道3d微流控细胞培养系统是由多个微通道相互连接的微流体通道和微阵列组成,采用微阵列狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台对多种细胞类型进行高密度观察监测,以获取信息用于研究细胞-细胞相互作用。本发明将多通道3d微流控细胞培养体系与复杂多样的人眼视网膜细胞有机结合,提出了一种新的视觉神经网络模型—视觉认知芯片,用于研究视觉认知。

视网膜是人眼睛结构之一,而血视网膜屏障(blood-retinalbarrier,brb)是视网膜重要结构,同样也是体外视觉研究模型中必须重建的离体组织,离体重述屏障生物学的重要特征以改进疾病建模、目标验证和毒性评估的模型。传统视觉研究模型只构建血视网膜屏障或只构建视网膜其他结构从而忽略两者之间的相互作用,本发明以人为例(其它物种基本架构类似,可根据实际做相应调整),创新性的提出了制作视觉认知芯片来模拟包括血视网膜屏障在内的整个视网膜来研究人的感知认知功能以及眼部疾病发病机理,改变血视网膜屏障与视网膜其他结构模型分开研究的现状,甚至可以模拟视觉形成过程研究人眼认知机理,进而探究脑内相关认知功能与机理构建脑内相关认知环路芯片。

同时建立此新芯片还可以用于医药健康领域,可以用于眼部疾病的研究与药物筛选。

首次证实血视网膜屏障的存在是通过静脉注射台盼蓝溶液,观察视网膜对染料是不渗透的。人们现在将血视网膜屏障理解为一系列的分子系统,包括连接复合物和药物外排转运体,它们根据大小和物理化学性质控制各种分子的进出。视网膜由两种不同的血管结构提供营养物质:供给视网膜内的视网膜血管和供给外视网膜的脉络膜血管,血视网膜屏障由两个不同的屏障组成,限制这两个来源的流入。内血视网膜屏障是由特殊的视网膜血管内皮细胞组成,这些细胞具有发达的紧密连接和限制血管循环非特异性运输的有限的跨细胞囊泡,外血视网膜屏障是由视网膜色素上皮构成,控制着绒毛膜的流出。血视网膜屏障将视网膜维持为一个特殊的位置,并控制视网膜环境以保护神经元的功能。

血视网膜屏障有助于维持适当的视网膜环境,是形成和维持正常视力所必需的,这种屏障的丧失会导致大量视网膜疾病的病理改变。血视网膜屏障由内屏障和外屏障组成,控制血管腔与神经视网膜之间代谢物和废物的交换,由视网膜胶质细胞和周细胞与内皮细胞相互作用而形成。视网膜毛细血管内皮及其连接形成血视网膜内屏障,视网膜毛细血管分布在视网膜内6层,属连续型毛细血管,由内皮细胞、周细胞和基膜构成,内皮细胞间的紧密连接为紧密的封闭小带型连接,称终端门(粘连小带崛闭锁小带)。细胞质膜无孔洞,细胞外有一层基膜包绕,内皮细胞外是周细胞。视网膜毛细血管内皮细胞具有单向主动运输功能。色素上皮(retinalpigmentepithelium,rpe)形成血视网膜外屏障,rpe使视网膜组织液与脉络膜组织液分离,rpe除了有选择性通透性外,也能够主动运输视网膜所需要的营养物质。

视网膜位于眼后玻璃体和脉络膜之间,由血管细胞(周细胞和内皮细胞)、大胶质细胞(müller细胞和星形胶质细胞)、神经元(光感受器、双极细胞、无长突细胞、水平细胞和神经节细胞)、色素上皮和小胶质细胞或驻留巨噬细胞组成。其中星形胶质细胞是胚胎视神经中最早的胶质细胞,对视网膜血管生成和血视网膜屏障的形成有重要作用,星形胶质细胞几乎参与中枢神经系统发育和功能的各个方面,其功能从建立血视网膜屏障和维持离子稳态到调节脑血管病张力、突触可塑性和神经元通讯的积极作用,星形细胞合成大量细胞外基质蛋白、粘附分子和营养因子,调节神经元成熟和突触形成,此外,它们形成血脑屏障,调节细胞外离子缓冲,控制神经递质摄取,并为大脑提供基本代谢支持,最近的神经生理发现表明星形胶质细胞在神经元活动的信息处理和调节中起着重要作用。这些细胞及其突起排列有序,可据此将视网膜自外向内分为10层:①色素上皮层:由单层色素上皮细胞构成;②视杆视锥层:由视杆细胞和视锥细胞的外突构成;③外界膜:由müller细胞的外突末端连接而成;④外核层:由视杆细胞和视锥细胞的细胞体组成;⑤外网层:由视杆细胞和视锥细胞的内突及双极细胞的树突构成;⑥内核层:由双极细胞、水平细胞、无长突细胞和müller细胞的胞体构成;⑦内网层:由双极细胞的轴突和无长突细胞及节细胞的树突构成;⑧节细胞层:由节细胞的胞体组成;⑨神经纤维层:由节细胞的轴突组成;⑩内界膜:为müller细胞的内突末端连接而成。

视网膜是一种高度专业化的神经组织,负责将可见光转化为被大脑解释为视觉的电化学信号。一种独特的血管结构为神经视网膜提供必要的营养,这种视网膜血管,就像中枢神经系统的其他血管一样,需要一个发育良好的血液神经屏障。除了血管结构为神经视网膜提供必要的营养外,视网膜还有一个上皮屏障,即视网膜色素上皮,它控制着高血管化脉络膜向外视网膜的液体和营养物质的流动。血视网膜屏障的血管和上皮成分共同维持神经视网膜的特殊环境。血管内皮和色素上皮都有发达的连接复合体,包括粘附和紧密连接,高度控制溶质和流体的通透性。视网膜是一种高度专业化的神经组织,需要独特的血管结构和对通透性的严格控制,以使其具有适当的视觉功能。血液代谢物进入视网膜的流量调节由rpe和专门的血管控制,这些血管利用发达的连接复合体来调节视网膜的通透性,维持视网膜的神经环境。形成这些屏障的连接复合体是由不同的蛋白质组成的,它们具有结构和调节功能,有助于形成屏障特性。了解血视网膜屏障的诱导和调节,将使治疗方法得以发展,目的是在疾病受损时恢复屏障,或在需要时允许治疗的特定运输通过这一屏障。

视网膜是一个代谢要求很高的系统,每单位重量的组织耗氧量最高。外部视网膜有需要高氧水平的光感受器,而内部视网膜区域的代谢率要低得多。氧气和营养物质的输送依赖于一个双重血管系统,在这个系统中,视网膜的内部三分之二由视网膜循环滋养,外部三分之一由高能量要求的光感受器组成,由脉络膜循环滋养。就像在大脑中一样,适当的视网膜神经功能需要维持足够的神经环境,这对于光转导是必不可少的,这在一定程度上是通过brb的形成来实现的。与血脑屏障类似,brb是一种高度专业化的血神经屏障,它具有选择性,限制了离子、代谢物和有害毒素进入视网膜的通量,从而维持了视网膜的神经环境。

brb存在于视网膜的两个不同的血液供应点。内brb调节视网膜毛细血管的转运,由邻近的内皮细胞之间形成紧密连接,为水和亲水溶质提供物理屏障。与全身性毛细血管相反,紧密连接的存在、孔洞的缺乏和针状细胞活性的降低导致了高的跨内皮电阻,这种电阻维持了离子稳态和低溶质通量,抵抗白蛋白的进入和液体积聚和水肿,允许适当的神经元信号转导,例如谷氨酸,而不受血浆氨基酸的干扰。内brb的形成需要来自促进视网膜血管内皮细胞分化的星形胶质细胞和周细胞的信号。外brb调节溶质在透明绒毛膜与视网膜光感受器层之间的运动,由视网膜色素上皮的细胞间连接复合体形成。虽然跨膜电阻远低于内brb观察到的跨膜电阻,但仍足以阻止水和水溶性分子从脉络膜进入视网膜下间隙。rpe还通过水在渗透梯度下向脉络膜的主动传输来维持液体的稳态。

brb的转运受到高度调控,主要以两种形式存在:相邻内皮细胞或上皮细胞间的脱细胞途径(由细胞间连接复合体调控)和跨细胞途径(通过内皮细胞和rpe),涉及到特殊的运输囊泡,包括腔静脉和受体介导的运输。细胞间连接由紧密连接、贴壁连接和间隙连接组成,其中紧密连接负责离子和极性溶质的脱细胞扩散中的限速步骤。紧密连接存在于高度极化的上皮细胞的最顶端,而在内皮细胞中,紧密连接与粘附连接形成更为复杂的复合体。紧密连接由一个多蛋白复合物组成,包括一系列跨膜蛋白嵌入在质膜中。跨膜紧密连接蛋白包括:连接性粘附分子、24种claudin亚型、mal及相关蛋白用于囊泡转运和膜连接蛋白(marvel)家族,包括闭锁蛋白和三角蛋白。这些跨细胞蛋白与细胞骨架相连,并通过相关的细胞质适配器(如闭锁带蛋白)横向连接。除了在细胞旁空间提供门功能外,紧密连接还起到栅栏的作用,调节蛋白质和脂类在细胞质膜中的横向扩散。紧密连接还参与调节细胞增殖和形态,以及建立和维持细胞极性。

由于细胞间连接的低通透性,brb细胞依赖于某些离子和大分子通过活跃的膜转运蛋白和水泡运输高度调控的跨细胞运动。其中许多转运蛋白的表达是极化的,如内皮细胞和上皮细胞分泌和转运可溶性因子。代谢底物(如脂类、氨基酸和葡萄糖)的转运是由细胞膜上的特定转运体介导的,而水和小溶质则优先通过脱细胞途径转运。正如前面提到的,来自成熟的内brb的内皮细胞具有低水平的跨细胞作用,而在视网膜血管发育过程中观察到的对跨细胞的抑制增强了屏障的特性。当细胞运输改变时,屏障特性即通透性发生变化,许多参与视网膜疾病病理生理学的介质已被证明可以改变脱细胞和跨细胞运输。

鉴于brb在维持适当的视网膜功能方面的重要作用,因此,影响视觉功能的主要视网膜疾病,如糖尿病性黄斑水肿、视网膜中央静脉阻塞和amd,在不同程度上表现为brb功能障碍。brb缺失的典型特点是通透性增加,导致液体积聚、水肿形成、有害神经毒性物质的渗漏以及炎症细胞的浸润,这些都会直接或间接地损害视觉功能。最常见的影响视力的视网膜疾病是糖尿病性黄斑水肿和湿性amd,其特征分别是内外brb的破坏。

一些疾病,如高血糖,炎症和缺氧与视网膜疾病有关,其中brb功能障碍是导致视力丧失的主要原因之一。高血糖和缺氧引起的血管内皮生长因子(vegf)通路的激活是brb通透性的主要原因之一,目前唯一获得批准的用于控制眼部炎症的药物是局部注射抗vegf分子和皮质类固醇。局部炎症介质如促炎细胞因子已被证明通过改变紧密连接复合物的完整性直接影响脱细胞外通透性。肿瘤坏死因子-α通过蛋白激酶cζ(pkcζ)介导的nf-κb激活,改变zo-1和claudin-5细胞的含量和亚细胞分布,导致视网膜内皮单层通透性增加。体内白细胞介素-1β通过阻断内皮连接,可能通过增加经内皮细胞的水泡转运,诱导brb通透性增加。转化生长因子-β水平升高也与血管通透性增加有关,通过基质金属蛋白酶-9诱导闭锁素降解。屏障特性的丧失也导致循环炎症细胞的浸润,这将进一步加剧brb分解,分泌更多的炎症介质。

在内brb中,血管内皮生长因子通过激活pkcβ诱导闭锁蛋白磷酸化,从而刺激紧密连接复合物内吞,从而增加内皮细胞通透性。血管内皮生长因子还通过β-catenin途径下调封堵器。非典型pkc的激活也可能通过一个未知的途径参与vegf诱导的紧密连接复合体的断裂和通透性的增加。此外,粘附分子连接的主要成分ve-cadherin的磷酸化和内化也有助于vegf诱导的通透性。这些结果表明,内brb内皮细胞的vegf信号通路可引起连接复合体的改变,其中最显着的作用是由囊泡介导的复合物内化和血管通透性增加。vegf通路也参与了视网膜内皮细胞跨细胞通透性的增加。vegf以一种依赖于一氧化氮合酶的方式刺激腔静脉介导的胞吞作用,并伴随着腔隙分布的变化,从以无孔定位为主向以腔内定位为主。同样,晚期糖基化终末产物,是高血糖的有害副产品,也促进腔隙转运增加,并伴有体内相关的brb通透性。

最近有证据表明,细胞壁的结构成分纤膜囊泡相关蛋白(plvap)参与了血管内皮生长因子(vegf)诱导的通透性。在生理条件下,视网膜内皮细胞中不存在plvap,但vegf诱导的plvap存在,vegf介导的腔隙转运增加需要plvap。plvap的表达与屏障缺失共同定位,使其成为增强转运的良好标志和/或治疗靶点。跨细胞和脱细胞通量的相对贡献才刚刚开始被探索,并将需要遗传操作来充分阐明。

导致外brb断裂的机制尚未如内brb那样被广泛研究,然而rpe屏障功能障碍可能与amd和糖尿病视网膜病变的病理有关。rpe细胞间连接的破坏有利于液体进入视网膜下间隙;与血管屏障功能障碍类似,促炎症介质和血管内皮生长因子似乎主要起作用。促炎细胞因子和血管内皮生长因子介导紧密连接蛋白的直接作用,改变其表达和/或亚细胞定位。此外,rpe在缺氧时上调基底外侧vegf的分泌,或失去vegf产生的极性,不仅导致屏障破裂,而且还与amd的脉络膜新生血管(cnv)的发病有关。当脉络膜血管断裂并渗入视网膜时,cnv可以通过物理分离细胞进一步加剧rpe断裂,并导致水肿形成。

视力危险水肿形成时,液体积聚在黄斑区。虽然所涉及的机制尚未完全了解,但人们认为,增加屏障通透性是一个关键因素。brb丢失后的渗出和白蛋白积累促进了肿瘤细胞压力的转换,导致水进入视网膜。此外,rpe破坏了水从视网膜的主动传输,也可能导致视网膜下间隙的液体积聚。因此,针对brb通透性是主要的治疗问题之一,开发合适的具有代表性的实验模型,允许快速测试潜在的候选药物是非常重要的。

本发明的设计理念:

认知是指人们获得知识或应用知识的过程,或信息加工的过程,这是人的最基本的心理过程。它包括感觉、知觉、记忆、思维、想像和语言等。人脑接受外界输入的信息,经过头脑的加工处理,转换成内在的心理活动,进而支配人的行为,这个过程就是信息加工的过程,也就是认知过程。人的认知能力与人的认识过程是密切相关的,可以说认知是人的认识过程的一种产物。一般说来,人们对客观事物的感知(感觉、知觉)、思维(想象、联想、思考)等都是认识活动。认识过程是主观客观化的过程,即主观反映客观,使客观表现在主观中。一旦人的某几种认知功能出现异常,就会现认知障碍,产生痴呆傻的行为状态。认知知觉允许我们组织和理解我们不同的感官接收到的刺激,如视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉。大脑中大约有80%的知识都是通过眼睛获取,人眼作为感知获取外界信息的人体重要器官之一,在24种认知功能中扮演了极其重要的角色。因此当今社会迫切出现一种视觉认知模型来研究人的认知功能,以此来解决认知障碍难题。

血视网膜屏障通过维持足够的微环境来保护视网膜。brb连接复合体的改变以及由此导致的brb在疾病中的破裂导致了神经元信号的丢失和视力的丧失。随着新疗法的发展,以预防或恢复屏障功能,实施生理相关至关重要。离体重述屏障生物学的重要特征以改进疾病建模、目标验证和毒性评估的模型。随着预防眼病血管渗漏或恢复血管屏障功能的新疗法的开发,开发能再现屏障生物学重要生理方面的体外模型就显得至关重要。理想情况下,适合的体外模型将通过整合与人类疾病相关的人类细胞,为疾病生物学提供更有力的理解,减少成本和时间密集的动物研究的使用,并能够提高早期复合筛选的通量。

为了实现上述目标,需要工程模型来研究视觉认知并且概括brb生物学的关键特性,并且可以在标准生物医学实验室中更广泛地使用。到目前为止,这已经集中在静态和平面模型的设计上;然而,芯片上器官狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台的新方向正在使更复杂的三维模型具有流性、多细胞性和对微环境特性的控制。通过模拟的生物复杂性,芯片上的器官可以帮助接近实际的组织和功能,并提供更多的工具来建模和研究疾病。

为了解决这样的问题从而更好地模拟研究视觉认知功能、实现体外血视网膜模型的构建,本发明创新性地提出一种方法,将多通道3d微流控细胞培养体系与复杂多样的人眼视网膜细胞有机结合,提出了一种新的视觉神经网络模型—视觉认知芯片,用于研究视觉认知。视觉认知芯片包括神经与血管,使神经与血管有机结合在一个芯片中,对包括血视网膜屏障在内的整个视网膜进行模拟,在一个芯片里重建整个视网膜模型,改变了传统的只构建血视网膜屏障从而忽略视网膜整体功能的模型,改变了血视网膜模型与视网膜其他结构分开研究的现状,实现了神经网络与血液循环的整合,构建了神经血管单元,实现了各种神经元之间的网络连接,从而更好地研究人的认知功能与血视网膜屏障的功能,并且视网膜细胞还可以观察上层血视网膜的生长状态与完整性,为眼部疾病的防治提供更好地模型基础,而且还不仅限于观察血视网膜屏障,比如血脑/神经屏障等。视觉认知芯片可以实现精准与实时动态观测,从而使未来的血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)相关研究和应用具有了更广阔的发展前景。

视神经在视网膜内形成视觉神经冲动,以三级神经元传递,即光感受器-双极细胞-节细胞。第一级神经元为光感受器:视锥细胞有辨色作用,能感受强光,司明视觉;视杆细胞无辨色功能,感受弱光,司暗视觉。双极细胞是第二级神经元,为传递感光细胞的冲动到视网膜神经节细胞的中间神经元。第三级神经元是视网膜神经节细胞,视网膜神经节细胞可以将感光细胞产生的神经冲动最终传递到大脑从而形成视觉。

视觉认知芯片可以模拟神经冲动从产生到视网膜神经节细胞的这个过程,通过电位传感器微电极阵列测量神经冲动的电位实现监测神经元群场电位的目的。后续过程甚至可以通过集成多个视觉认知芯片来模拟实现,探究人眼与脑认知机理与相关关联,进而建立脑内相关认知环路芯片。

本发明通过培养有关视觉的细胞与神经元构建关键功能单元来模拟视觉的形成实现研究人的视觉认知的目的:视杆细胞、视锥细胞、水平细胞与星形胶质细胞共同培养构建第一个关键功能单元,模拟视觉系统感光功能,用来感知光线的变化,产生神经冲动,释放神经递质,黑白弱暗视觉由视杆细胞感受,彩色强光视觉由视锥细胞感受,视锥细胞与视杆细胞共同作用模拟视觉系统的感光功能;1-视锥细胞双极神经元、1-视杆细胞双极神经元、水平细胞、无长突细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞共同培养,2-视锥细胞双极神经元2-视杆细胞双极神经元、水平细胞、无长突细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞共同培养,构建第二个关键功能单元,接受观视锥细胞与视杆细胞产生的神经递质,产生神经冲动,释放神经递质;视网膜神经节细胞、无长突细胞、穆勒细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞共同培养构建第三个关键功能单元,接受双极神经元产生的神经递质,产生神经冲动。整个过程模拟视觉感知,在整个过程中可以通过电位传感器微电极阵列监测电位变化,可以探讨细胞之间的联系、信息交流与相互作用,探讨多细胞或多个关键功能单元之间的联系、信息交流与相互作用,甚至可以将星形胶质细胞与少突胶质细胞共同培养,结合视网膜神经节细胞的轴突模拟视神经,将产生的神经冲动送达脑区,模拟整个视觉感知、认知过程。

本发明可以用双光子钙成像狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台、膜片钳狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台与光声成像狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台对血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)细胞进行呈像,与视觉神经元观察到的图像进行比对验证。光声成像(photoacousticimaging,pai)是近年来发展起来的一种非入侵式和非电离式的新型生物医学成像方法。当脉冲激光照射到生物组织中时,组织的光吸收域将产生超声信号,我们称这种由光激发产生的超声信号为光声信号。生物组织产生的光声信号携带了组织的光吸收特征信息,通过探测光声信号能重建出组织中的光吸收分布图像。光声成像结合了纯光学组织成像中高选择特性和纯超声组织成像中深穿透特性的优点,可得到高分辨率和高对比度的组织图像,从原理上避开了光散射的影响,突破了高分辨率光学成像深度“软极限”(~1mm),可实现50mm的深层活体内组织成像。甚至可以把电位传感器微电极阵列测得的电位与光声成像狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台产生的图像建立一一对应关系。



狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台实现要素:

本发明提出了一种基于微流控芯片狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台的视觉认知芯片,首次将视觉系统进行体外模拟,可以观察监测黑白弱暗与彩色明亮图像,模拟人视觉形成过程,用于研究视觉认知功能,同时在观察血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)等是否完整方面具有极大的应用前景。

为了达到上述目的,在以前工作的基础上,按照基本架构,本发明采用的狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台方案为:

一种视觉认知芯片,该芯片主要包括五个各自独立但彼此紧密相关和连接并对外开放的神经血管单元,五个独立的神经血管单元可以模拟视觉系统。五个独立的神经血管单元能够观察监测黑白弱暗与彩色明亮图像,模拟人视觉形成过程,用于研究视觉认知功能,并且实现观察血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)完整性。

所述的五个独立的神经血管单元包括四个矩形单元a、b、c、d和一个环形单元e,两个矩形单元a、b对称设置,两个矩形单元a、b之间设有另外两个对称的矩形单元c、d,矩形单元b端部链接一个环形单元e;

所述的每个神经血管单元均包括上层芯片、下层芯片和中间多孔膜,上层芯片中培养的细胞产生的代谢物通过中层多孔膜渗透到下层芯片,实现上下两层细胞培养体系的细胞非接触式信息交流;所述的上层芯片包括上层入口、上层腔室、上层出口,上层入口和上层出口通过上层腔室连通;所述的上层腔室高200μm、长300-600μm、宽100-300μm。所述的下层芯片包括下层入口、下层腔室、下层出口,下层入口和下层出口通过下层腔室连通;所述的下层芯片腔室高50-100μm、长300-600μm、宽100-300μm。所述的五个独立单元的上层芯片腔室和下层芯片腔室之间通过中间多孔膜隔开。多孔膜厚5-15μm、孔径为0.4μm、1μm、3μm、5μm。该尺寸的设定,为了实现至只通过信使分子、离子而不能通过大分子,并且阻止上(下)层芯片中细胞进入下(上)层,使上下层芯片中的细胞能够实现信息之间的交流;在芯片整体封接之后,上层腔室和下层腔室中心对齐,上层腔室略大于下层腔室;

除了矩形单元a、b之间没有直接通过矩形漏斗微槽连接,所述的矩形单元a、b、c、d的下层芯片腔室两两之间皆通过矩形漏斗微槽连接,环形单元e的下层芯片腔室有环形漏斗微槽,整个芯片通过环形单元e与其他芯片构成连接,进而组成集成芯片系统;其中,矩形漏斗微槽分布于四个矩形单元下腔室底面,环形漏斗微槽分布于环形单元下腔室底面,两种漏斗微槽用于神经元轴突的物理分离和连接,促使神经元之间进行信息传递;多孔膜和漏斗微槽结构使五个独立的神经血管单元之间相互连通,模拟视觉系统多网络之间的功能连贯性。所述的矩形漏斗微槽长50-100μm、宽3-10μm、高3μm;环形漏斗微槽500-950μm、宽3-10μm、高3μm。该尺寸的设定,为了仅仅使神经元的轴突或树突能够通过漏斗微槽,而阻止神经元胞体通过。

所述的下层芯片腔室的底面集成电位传感器微电极阵列,电位传感器微电极阵列用于检测神经元产生的动作电位及神经元群产生的类脑电图场电位,用于提取神经元网络电位传递的信息。

上述的视觉认知芯片在使用时,首先将中层多孔膜与上层芯片进行不可逆的氧等离子体封接,并置于60℃-100℃烘箱加热10-30分钟;然后将下层芯片直接等离子体封接在载玻片上;最后在下层芯片上表面进行等离子体处理后涂抹一薄层pdms聚合物,将两层芯片直接对齐粘合固化,形成封闭的两层共培养芯片。细胞接种时,将血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)细胞接种到多孔膜上表面,多孔膜上下均有血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)细胞完全培养液,待血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)细胞长满多孔膜上表面并且形成紧密连接时,将培养稳定的有关视觉系统的神经元植入芯片下腔室,从而形成间接共培养体系。

与现有狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台相比,本发明的有益效果是:

(1)本发明利用多层微流控芯片集成的方法,将血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)细胞以及多种有关视觉系统细胞的培养单元结合,根据视觉系统的结构,将多种芯片模型组装在同一块芯片上,通过矩形/环形漏斗微槽建立联系,可以简便快捷地模拟视觉的形成过程,各个独立的单元可以进行有效分割,便于分别控制和观察,并且整个芯片可以与另一芯片通过环形单元建立联系,形成集成芯片系统。

(2)本发明可以观察监测黑白弱暗与彩色明亮图像,模拟人视觉形成过程,用于研究视觉认知功能,并可以用于观察血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)的完整性,将血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)细胞培养在芯片上层,可以通过下层视网膜细胞对上层细胞进行观察,同样可以研究上层血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)的功能,为人类眼部、大脑或神经疾病的研究做出贡献。

(3)本发明具备独立的细胞培养腔室,腔室内通过不同的微纳器件集成可广泛实现相关研究与应用的信息采集与监控。

附图说明

图1为本发明的设计理念原理图,可以观察监测黑白弱暗(左)与彩色明亮(右)图像,芯片由近及远可以拓展向脑区,进一步研究视觉形成过程与认知机理;

图2为本发明的整体结构示意图及单个单元结构示意图;

图3为本发明的整体结构俯视图;

图4为本发明的矩形漏斗微槽俯视图;

图5为本发明的局部结构侧视图;

图6为本发明集成在下层芯片底面的微电极阵列结构示意图。

图中:1上层芯片入口;2上层芯片出口;3上层腔室;4上层芯片;5中层多孔膜;6下层芯片入口;7下层芯片出口;8下层腔室;9下层芯片;

10矩形单元a;11矩形单元b;12矩形单元c;13矩形单元d;14环形单元e;15环形漏斗微槽;16矩形漏斗微槽;

16矩形漏斗微槽;17突触前神经元;18突触后神经元;

19、20矩形单元a上层芯片的入口、出口;21、22矩形单元a下层芯片的入口、出口;23、24矩形单c/d上层芯片的入口、出口;25、26矩形单元c/d下层芯片的入口、出口;27、28矩形单元b上层芯片的入口、出口;29、30矩形单元b下层芯片的入口、出口;31矩形单元a、b、c、d中间层多孔膜;32、33矩形单元a的上层腔室与下层腔室;34、35矩形单元c/d的上层腔室与下层腔室;36、37矩形单元b的上层腔室与下层腔室;38矩形单元a、b、c、d中间多孔膜上表面的血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)细胞;39矩形单元a下层腔室的视锥细胞;40矩形单元c/d下层腔室的双极细胞;41矩形单元b下层腔室的视网膜神经节细胞。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本专利的狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台方案作进一步详细说明,但并不因此而限制于本发明。

实施例1

一种视觉认知芯片,如图2所示:一种视觉认知芯片主要包括五个独立的神经血管单元,每个单元结构类似,包括上层芯片4、中层多孔膜5和下层芯片9;中层多孔膜5上具有微孔,上层芯片中培养的细胞产生的代谢物可以通过微孔渗透到下层芯片中,可实现上下两层细胞培养体系的细胞非接触式信息交流与相互影响。

所述的五个独立单元的上层芯片均包括上层芯片入口1、出口2和上层腔室3,上层腔室3作为细胞腔室;入口1和出口2通过细胞腔室连通。

所述的五个独立单元的下层芯片包括下层入口6、出口7和下层腔室8,下层腔室8作为细胞腔室;入口6和出口7通过细胞腔室连通。

如图3所示:所述五个独立单元包括四个矩形单元a10、b11、c12、d13,一个环形单元e。两个矩形单元a10、b11对称设置,两个矩形单元a10、b11之间设有另外两个矩形单元c12、d13,矩形单元b11端部连接一个环形单元e14。环形单元e14的下层芯片腔室和矩形单元b11的下层芯片腔室之间通过环形漏斗微槽15连接;矩形单元a10、b11、c12、d13的下层芯片腔室之间通过矩形漏斗微槽16连接。环形漏斗微槽位于环形单元e14的下层芯片腔室底部;矩形漏斗微槽位于矩形单元a10、c12下层芯片腔室底部之间,矩形单元a10、d13下层芯片腔室底部之间,矩形单元c12、d13下层芯片腔室底部之间,矩形单元c12、b11下层芯片腔室底部之间,矩形单元d13、b11下层芯片腔室底部之间。

如图4所示:16为连接矩形单元的矩形漏斗微槽;17为通过矩形漏斗微槽的突触前神经元;18为与突触前神经元形成突触的突触后神经元。

如图5所示:32、33、34、35、36、37分别为所述五个单元中矩形单元a10上层芯片侧视图、矩形单元a10下层芯片侧视图、矩形单元c12/d13上层芯片侧视图、矩形单元c12/d13下层芯片侧视图、矩形单元b11上层芯片侧视图、矩形单元b11下层芯片侧视图;31是矩形单元中间层多孔膜;19、20分别为矩形单元a10上层芯片的入口、出口;21、22分别为矩形单元a10下层芯片的入口、出口;23、24分别为矩形单元c12/d13上层芯片的入口、出口;25、26分别为矩形单元c12/d13下层芯片的入口、出口;27、28分别为矩形单元b11上层芯片的入口、出口;29、30分别为矩形单元b11下层芯片的入口、出口;38为矩形单元a10、b11/c12、d13中间多孔膜上表面的血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)细胞;39、40、41分别为矩形单元a10、b11/c12、d13下层芯片中的视锥细胞(视杆细胞)、双极神经元、视网膜神经节细胞;16为连接矩形单元的矩形漏斗微槽侧视图。

如图6所示:所述五个单元的下层腔室下底面集成电位传感器微电极阵列,电位传感器微电极阵列用于检测神经元产生的动作电位及神经元群产生的场电位,进而提取神经元网络电位传递的信息。

所述的视网膜释觉芯片在使用时,首先将中层多孔膜5与上层芯片4进行不可逆的氧等离子体封接,并置于80度烘箱加热20分钟,然后将下层芯片9直接等离子体封接在一块合适大小的载玻片上,最后在下层芯片9上表面进行等离子体处理后涂抹一薄层pdms聚合物,将两层芯片直接对齐粘合固化,形成封闭的两层共培养芯片。细胞接种时,将血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)细胞接种到多孔膜上表面,多孔膜上下均有血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)细胞完全培养液,待血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)细胞长满多孔膜上表面并且形成紧密连接时,将培养稳定的有关视觉系统的神经元植入芯片下腔室,从而形成间接共培养体系。

本发明通过中层多孔31建立了每个神经血管单元上下两层细胞间的非接触式信息交流,通过环形漏斗微槽15和矩形漏斗微槽16建立了五个神经血管单元中不同神经元之间的接触式信息传递,可以作为研究神经网络相互关系以及药物筛选和毒性评价的良好平台,可以观察监测黑白弱暗与彩色明亮图像,模拟人视觉形成过程,用于研究视觉认知功能,并可以用于观察血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)的完整性。

实施例2

一种视觉认知芯片,细胞培养方式为:

五个独立的神经血管单元上层腔室均培养血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb)细胞,模拟血视网膜/脑/神经屏障(br/b/nb);

视杆细胞、视锥细胞、水平细胞与星形胶质细胞共同培养在矩形单元a10中,构建第一个关键功能单元,模拟视觉系统感光功能,用来感知光线的变化,产生神经冲动,释放神经递质,黑白弱暗视觉由视杆细胞感受,彩色强光视觉由视锥细胞感受,视锥细胞与视杆细胞共同作用模拟视觉系统的感光功能;

1-视锥细胞双极神经元、1-视杆细胞双极神经元、水平细胞、无长突细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞共同培养在矩形单元c12中,2-视锥细胞双极神经元2-视杆细胞双极神经元、水平细胞、无长突细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞共同培养在矩形单元d13中,构建第二个关键功能单元,接受观视锥细胞与视杆细胞产生的神经递质,产生神经冲动,释放神经递质;

视网膜神经节细胞、无长突细胞、穆勒细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞共同培养在矩形单元b11中,构建第三个关键功能单元,接受双极神经元产生的神经递质,产生神经冲动。整个过程模拟视觉感知,在整个过程中可以通过电位传感器微电极阵列监测电位变化,可以探讨细胞之间的联系、信息交流与相互作用,探讨多细胞或多个关键功能单元之间的联系、信息交流与相互作用,甚至可以将星形胶质细胞与少突胶质细胞共同培养在环形单元e14中,结合视网膜神经节细胞的轴突模拟视神经,将产生的神经冲动送达脑区,模拟整个视觉感知、认知过程。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式,但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制,应当指出,对于本领域的狗65足彩下载_狗65体育_狗65是哪个平台人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些均属于本发明的保护范围。

再多了解一些
当前第1页1 2 3 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1