石墨烯介導的光刺激新技術能加速大腦類器官成熟

科技日報記者 張夢然

美國加州大學聖迭戈分校桑福德干細胞研究所研發了一種石墨烯介導的光刺激（GraMOS）新技術，能加速大腦類器官發育和成熟。這是一種安全、非遺傳、生物相容且無破壞性的技術，能夠在數天至數週內有效調控神經活動。該技術對揭示神經退行性疾病的奧秘至關重要，還能實現類器官對機器人設備的即時控制。相關研究成果發表於新一期《自然·通訊》雜誌。

該技術能夠在不改變細胞遺傳密碼的前提下，顯著加快大腦類器官的成熟過程，從而為神經系統疾病的研究、腦機接口開發以及活體神經組織與技術系統的融合開闢全新路徑。大腦類器官在研究神經系統發育和疾病機制方面具有重要價值。然而，這種類器官通常成熟緩慢。以往的神經刺激手段要麼依賴基因改造，要麼使用直流電刺激，而後者往往會對脆弱的神經元造成損傷。

GraMOS技術巧妙利用了石墨烯獨特的光電特性，將光信號轉化為温和的電刺激，從而促進神經元之間的連接與信息交流。這種方式模擬了真實大腦在自然環境中接收到的輸入信號，能夠在不使用侵入性手段的情況下推動神經網絡的發育。研究顯示，定期應用GraMOS可促使大腦類器官形成更牢固的神經連接、更有序的神經網絡以及更高效的通信能力，這一效果在阿爾茨海默病患者來源的類器官模型中同樣顯著。這不僅有望縮短藥物篩選和測試的時間週期，也為理解阿爾茨海默病等疾病如何破壞大腦回路提供了新的視角。

此外，在一項引人注目的概念驗證實驗中，團隊將連接石墨烯的大腦類器官整合到一個配備環境傳感器的機器人系統中。當機器人探測到前方障礙物時，會自動發送光信號刺激類器官，類器官隨即產生特定的神經活動模式，觸發機器人改變行進路線，整個感知—反應循環在短短50毫秒內完成。這一成果預示着未來可能出現的神經生物混合系統，活體神經組織將與機器人協同工作。

這項研究標誌着石墨烯在神經科學、納米技術和神經工程領域的應用取得重要突破，有望發展為研究神經退行性疾病和發育性腦病的強大平台，還可拓展至組織工程領域。

總編輯圈點

GraMOS有兩大應用：首先，它能加速神經系統成熟，人們得以在更具生理相關性的模型中更快地觀察疾病的發展過程；其次，與石墨烯界面結合的大腦類器官能夠對外界環境作出響應，這種可塑性在AI領域展現出巨大潛力。可以説，石墨烯的多功能性與大腦類器官生物學特性的結合，正在重新定義神經科學的邊界。這種融合不僅有助於深入理解大腦的工作機制，更可能催生全新的技術範式，推動從基礎研究到AI和醫療工程的廣泛變革。