加州大學(xué)圣迭戈分校桑福德干細(xì)胞研究所的科研團(tuán)隊(duì)，首次利用石墨烯開發(fā)出一種全新的方法，可以安全、有效地促進(jìn)人類腦類器官（brain organoids）的發(fā)育和成熟。相關(guān)成果近日發(fā)表于《Nature Communications》。

研究團(tuán)隊(duì)提出的這項(xiàng)技術(shù)被稱為 Graphene-Mediated Optical Stimulation（GraMOS），即石墨烯介導(dǎo)的光刺激。它通過石墨烯獨(dú)特的光電特性，將光信號轉(zhuǎn)化為溫和的電刺激，模擬真實(shí)大腦中外界環(huán)境的輸入，幫助神經(jīng)元更快地建立連接與溝通。這種方法具有 非基因改造、無損傷、可長期應(yīng)用、生物相容性好 等優(yōu)勢。

“這是腦研究的游戲規(guī)則改變者?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、加州大學(xué)圣迭戈分校兒科學(xué)教授、桑福德干細(xì)胞研究所航天干細(xì)胞研究中心主任 Alysson Muotri 博士 表示，“我們現(xiàn)在可以在不改變基因的情況下加速腦類器官的成熟，這為疾病研究、腦機(jī)接口以及類腦技術(shù)的發(fā)展開辟了新道路?！?/p>

研究亮點(diǎn)

• 發(fā)育加速：在阿爾茨海默病患者來源的類器官中，GraMOS 能顯著促進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成與組織化，并提升神經(jīng)元之間的溝通能力。

• 安全可靠：石墨烯對類器官結(jié)構(gòu)和神經(jīng)元未產(chǎn)生損傷，即便長期使用也具備良好生物相容性。

• 疾病建模優(yōu)勢：早期阿爾茨海默類器官在 GraMOS 刺激下，展現(xiàn)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接性和興奮性方面的差異，更貼近疾病的真實(shí)進(jìn)程。

• 腦機(jī)互動：研究人員將石墨烯刺激的腦類器官與一個(gè)簡易機(jī)器人相連，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)反饋。當(dāng)機(jī)器人遇到障礙時(shí)，會通過刺激信號激活類器官，而類器官再反饋神經(jīng)信號控制機(jī)器人避障，整個(gè)過程耗時(shí)不到 50 毫秒。

聯(lián)合通訊作者、NeurANO Bioscience 首席執(zhí)行官 Elena Molokanova 博士 形象地解釋：“石墨烯和光的結(jié)合，就像給神經(jīng)元一個(gè)溫柔的推動，讓它們更快‘長大’，這對于研究老齡相關(guān)疾病至關(guān)重要?！?/p>

未來應(yīng)用前景

GraMOS 的出現(xiàn)解決了類器官研究中的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸：神經(jīng)成熟緩慢。加速后的類器官不僅能更早用于阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病的藥物測試，也可能推動 腦機(jī)接口、生物計(jì)算、可適應(yīng)性假體 等新興領(lǐng)域的發(fā)展。

另一位共同作者、Nanotools Bioscience 首席執(zhí)行官 Alex Savchenko 博士 表示：“我們的技術(shù)提供了一種可靠、可重復(fù)的方法來激活神經(jīng)元，這不僅將推動基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)，也能加速臨床轉(zhuǎn)化研究?！?/p>

值得關(guān)注的是，類腦組織與機(jī)器人結(jié)合的實(shí)驗(yàn)，暗示未來可能出現(xiàn) 神經(jīng)—生物混合系統(tǒng)（neuro-biohybrid systems），在人機(jī)交互、人工智能和新型計(jì)算模式中發(fā)揮獨(dú)特作用。

“這只是一個(gè)開始。”Muotri 博士強(qiáng)調(diào)，“石墨烯的多樣性與腦類器官的結(jié)合，可能重新定義神經(jīng)科學(xué)的邊界，從理解大腦到開辟全新的技術(shù)范式?！?/p>

參考文獻(xiàn)：Nature Communications?(2025).?DOI: 10.1038/s41467-025-62637-6

編輯：王洪

排版：李麗