[发明专利]通用神经系统芯片

说明书

本发明提供了一种通用神经系统芯片，该芯片系统主要由六个独立的神经血管单元组成，每个神经血管单元包括上层血脑屏障腔室、下层神经腔室、多孔膜、上层进样口、上层出样口、下层进样口和下层出样口。本发明具备多细胞共培养能力，并通过多孔膜和微槽的设计可实现多细胞间的信息交流，模拟人体全身神经系统；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。

技术领域

本发明属于微流控芯片技术领域，涉及一种基于微流控芯片的通用神经系统芯片。

背景

神经系统疾病已经严重危害了人类生命与健康，越来越引起关注。虽然现有大量的研究者致力于对该类疾病的药物研发，但是目前在临床治疗中针对以上疾病相关治疗药物所达到的效果并不理想。对于这种困境，其主要原因是由于神经系统的复杂性。一方面在于其结构的复杂，另一方面，在于神经信号传递及调控的复杂。神经系统任何的功能(自主与非自主)，如意识、认知、感觉、运动、视听觉、植物神经功能等，均与神经信号的传递、反馈及调控有关，使得大脑皮质与周围感受器或运动系统(骨骼肌肉)产生联系。虽然目前已知很多的神经传导通路，但是究竟这些信号在传导通路中是如何传递、受何种因素调控、在皮质中如何解析尚不清楚；同时，神经系统构成的细胞种类繁多(神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞等)，这些神经信号的传递受到多种细胞的共同作用，细胞间已有相互作用，这种错综复杂的作用构成了神经网络，绝非通过了解一种细胞或几种细胞的功能可以概括。另外神经系统受血脑屏障保护，也并非所有的物质、神经递质或者可作为信号的小分子物质可以通过，因此，要充分了解神经系统的功能，并为疾病造成的神经功能损害提供修复的措施，必须考虑神经细胞的相互作用，并模拟血脑屏障的保护与筛选作用，在此基础上得到的神经信号，才能全面了解神经系统的网络构建及功能，为损伤修复提供基础。现有的细胞模型无法可观的模拟体内细胞间复杂的相互作用，因此，需要建立一种新的更加接近于体内环境的细胞培养模型。通用神经系统芯片的构思也是基于上述的原因。

一、神经-免疫-内分泌网络及其调控

神经细胞之间构成了繁杂的小网络，但其最终目的是服务于整个神经系统的大调控网络的构成，从而使得神经系统功能得以实现。而神经-免疫-内分泌网络是神经系统发挥作用的最主要的调控网络，构成内调节系统，存在交感神经与副交感神经，兴奋性与抑制性，Th1与Th2等对抗机制，是各种神经信号传递及神经功能产生的基础。

(一)下丘脑与神经内分泌系统及其中枢地位

整个神经-免疫-内分泌系统中，下丘脑位于核心的地位。其功能上：1、具有接收内外环境变化的传入系统；2、具有感受和应对内外环境变化的决策中枢核团，尤其与垂体共同组成调控中枢；3、具有向靶机构发出指令的传出系统(如图5所示)。下丘脑整合三大调节通路：神经、内分泌、免疫反应，因此是神经系统调节中枢，也是神经-免疫-内分泌网络的核心。在此基础上，神经系统的各种功能或者说各个神经细胞的功能才能得以发挥。

(二)下丘脑的神经内分泌调控

下丘脑由普通神经元、分泌神经元及投射神经元构成。均可分泌激素，同时其他来源的异常细胞(肿瘤细胞)亦可合成分泌，作用于靶器官特异性受体，从而发挥其功能。激素从化学本质而言包括肽类、蛋白质类及类固醇类等。神经元以及神经内分泌细胞均可分泌激素，通过内分泌或旁分泌方式发挥作用。

下丘脑的分泌神经元包括三种：1、大细胞神经元，可分泌精氨酸加压素(AVP)和催产素(OXY)。2、小细胞神经元，分泌促甲状腺释放激素(TRH)、促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)、生长激素释放抑制激素(生长抑素)、生长激素释放激素(GRH)、促性腺激素释放激素(GnRH)多巴胺等，促使垂体分泌促肾上腺皮质激素(ACTH)、促甲状腺激素(TSH)、生长激素(GH)、卵泡刺激素(LH)、黄体生成素(FSH)、催乳素(PRL)。3、投射神经元，主要位于下丘脑外侧带，投射到中枢神经系统多处、多节段多区域，投射的神经纤维终末以化学性突触，释放神经递质(如GABA、谷氨酸等)，从而调控靶神经元活动。