汇聚起强国兴军的磅礴力量

——热烈庆祝中华人民共和国成立七十一周年

T-SBM 已被用于三个数据集——培养复杂性、细胞外基质(ECM,生长在细胞表面的蛋白质)和来自大脑不同区域的神经元。

简单来讲,研究团队开发了一种统计模型,专用于分析在体外脑芯片上植入的脑细胞形成的神经元网络。

很明显,这是替代动物实验的一个好方法,研究人员也表示:

3DMEA 大致的制作过程是:在玻璃基板上精密加工聚酰亚胺(Polyimide,综合性能最佳的有机高分子材料之一)探针阵列,先利用机械驱动的方式将阵列整体提升到垂直位置,再依靠座铰的塑性变形保持垂直对齐。

当今世界正经历百年未有之大变局,新冠肺炎疫情加剧了大变局的演变,国际环境日趋复杂,经济全球化遭遇逆流,我国安全形势不确定性不稳定性增大。今年我们要决胜全面建成小康社会、决战脱贫攻坚,实现国防和军队建设2020年目标任务,并乘势而上,开启基本实现国防和军队现代化、进而把我军全面建成世界一流军队的新征程。我军作为党绝对领导下的人民军队,必须统一思想、坚定信心、鼓足干劲、抓紧工作,奋力推进国防和军队现代化建设,增强忧患意识、危机意识、打仗意识,全面提高我军遂行军事任务能力,坚决维护国家主权、安全、发展利益,维护国家战略全局稳定,坚决履行党和人民赋予的新时代使命任务,为实现中华民族伟大复兴提供战略支撑。

作为美国著名国家实验室之一的 LLNL 隶属于美国能源部国家核安全局(NNSA),1952 年(冷战白热化阶段)由诺奖得主、加州大学伯克利分校物理学教授 Ernest Orlando Lawrence 和氢弹之父、理论物理学家 Edward Teller 共同建立。

仅包含神经元细胞的培养物的数据;以及 将神经元与其他类型脑细胞混合的培养物的数据。

为证明 3DMEA 的实用性,研究人员将由人诱导多能干细胞(hiPSC)衍生的神经元和星形胶质细胞(astrocytes)作为培养物包裹在基于胶原的水凝胶中,并接种到 3DMEA 上,使悬浮细胞在基质中得到培养。

【确保快速致动阵列探针的装置】

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可以说,三维模型是超越二维芯片脑平台的重要一步,因为在三维模型中,科学家们能够更为全面地复制人脑的生理功能,也能更好地了解大脑的功能和那些对大脑产生刺激等影响的化学物质。

强国必须强军,军强才能国安。近代以后,我国封建统治者夜郎自大、故步自封,错失发展机遇,结果国家积贫积弱、军事上逐渐落后,最后到了被动挨打的地步。从鸦片战争到甲午战争,再到八国联军侵华,我国军事力量薄弱、武器装备落后,尽管广大军民十分勇敢、浴血奋战,但最终还是不堪一击。新中国成立以来,正是因为我们高度重视国防建设,敢于在关键时刻亮剑,才顶住了来自外部的各种压力,维护了国家的独立、自主、安全、尊严。历史一再证明,国防和军队建设是国家安全的坚强后盾,没有一个巩固的国防,没有一支强大的军队,中国梦就难以真正实现。

其实现过程为:首先通过 3DMEA 捕获、收集神经元网络在交流时产生的电信号,然后将数据作为教学工具,将图论中标准的随机块模型(SBM,复杂网络群体结构建模的重要工具)与一个包含机器学习组件的高斯过程(Gaussian Process, GP)概率模型相结合,时间随机块模型(T-SBM)得以创建。

今天,是中华人民共和国71岁生日,也是中华民族传统的中秋节。举国同庆日,万家团圆时,昂扬着亿万人民为梦想奋斗的信心与豪情,激荡起中华儿女炽热而深沉的家国情怀。全军将士与全国人民一起,共庆祖国华诞,共享祖国荣光。

为什么是三维,不是二维?

目前而言,神经动作电位的电生理记录一般要通过二维微电极阵列(multi-electrode array,MEA),这是一种既常见又可信的评估神经功能、网络通信、生化制剂反应的方法。相比之下,三维体外神经元网络用于测量电生理活动的情况较少。

从 3DMEA 获得的数据可以为科学研究提供信息。在不需要动物模型的情况下,可为暴露于化学生物制剂、模拟疾病感染、评估环境毒性或研发药物的研究人员制定对策。同时,我们致力于在 3DMEA 上复制人体系统,希望未来研发的设备更适用于人类,甚至取代动物测试。

“积力之所举,则无不胜也;众智之所为,则无不成也。”全面建成小康社会的夙愿,即将在砥砺前行中实现;强国强军的梦想,终将在接续奋斗中成就。在前进道路上,无论面临什么样的风险挑战,无论遇到什么样的荆棘坎坷,只要我们汇聚起强国兴军的磅礴力量,就没有跨越不了的沟坎、战胜不了的敌人,就一定能够在强国兴军的新征程上创造新的历史伟业。

使命如山,重任在肩。让我们更加紧密地团结在以习近平同志为核心的党中央周围,坚持以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导,深入贯彻习近平强军思想,深入贯彻新时代军事战略方针,增强“四个意识”、坚定“四个自信”、做到“两个维护”,贯彻军委主席负责制,坚持政治建军、改革强军、科技强军、人才强军、依法治军,聚力练兵备战,锐意开拓进取,为实现党在新时代的强军目标、把人民军队全面建成世界一流军队不懈奋斗。

在 LLNL 众多的科研硕果之中,最为出名的便是 6 种化学元素(113-118 号)的发现。

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基于此,研究团队开发了一种三维芯片大脑(brain-on-a-chip),即一种三维柔性微电极阵列(3DMEA),旨在实现性能、便捷性以及与现有商业电生理仪器的兼容性。

研究人员发现,后者更接近真实的人脑数据。所以结论是:在包含其他细胞类型的环境中生成的神经元网络更复杂,随时间的推移它也会更加复杂。

人民军队紧跟党和国家事业发展步伐,一路披荆斩棘、奋斗牺牲,在战斗中成长,在继承中创新,在建设中发展,革命化现代化正规化水平不断提高,为国家富强、民族振兴、人民幸福建立了卓越功勋。党的十八大以来,习主席把国防和军队建设放在实现国家现代化、实现中华民族伟大复兴的历史进程中来谋划和运筹,全面推进国防和军队现代化,推动强军事业取得历史性成就、发生历史性变革,人民军队在中国特色强军之路上迈出坚定步伐,为维护国家主权、安全、发展利益作出了重要贡献。

就拿第一个数据集的实验结果来讲,研究人员查看对比了:

3DMEA 可容纳 256 通道的记录或刺激,记录动作电位峰值和脉冲活动的时间至少达到 45 天,支持数十万人类神经元生长。3DMEA 包含三组阵列,每个阵列中有 80 个电极分布在 10 个柔性聚合物探针上,研究人员一次可进行三个独立实验,同时监视不同位置的神经活动。

正如前文所述,3DMEA 平台和 T-SBM 模型的设计出自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)。

共和国71年风雨历程,走过多少波澜壮阔的历史足迹,凝结多少气壮山河的艰辛奋斗。71年前,毛泽东同志向世界庄严宣告中华人民共和国的成立,中国人民从此站起来了。这一伟大事件,彻底改变了近代以后100多年中国积贫积弱、受人欺凌的悲惨命运,中华民族走上了实现伟大复兴的壮阔道路。我们党团结带领全国各族人民同心同德、艰苦奋斗,创造了世所罕见的经济快速发展奇迹和社会长期稳定奇迹,实现了一个东方大国在磨难中奋起、一个古老民族由苦难而辉煌的命运转折。党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央统揽伟大斗争、伟大工程、伟大事业、伟大梦想,取得了改革开放和社会主义现代化建设的历史性成就,党、国家和军队事业全面开创新局面,中国特色社会主义进入新时代,中华民族迎来了从站起来、富起来到强起来的伟大飞跃,迎来了实现中华民族伟大复兴的光明前景。今天,社会主义中国巍然屹立在世界东方,没有任何力量能够撼动我们伟大祖国的地位,没有任何力量能够阻挡中国人民和中华民族的前进步伐。

不难看出,3DMEA 平台创建的意义在于无创监测人类三维神经元培养物的电生理活性。研究人员表示:

体外模拟人脑实现了重大进展。

实际上,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)也做了一项努力——开发一款 3D 芯片大脑(brain-on-a-chip),捕获体外培养活体脑细胞的神经活动。不仅如此,他们还在这款三维芯片大脑基础上建模,方便对体外脑芯片上形成的神经元网络进行分析。

在 LLNL 官网可以看到,其主要责任是研发包括核武器在内的美国国防科技,确保美国核力量的安全和可靠性。然而 LLNL 的任务不限于此,从核扩散、恐怖主义到能源短缺、气候变化等,都属于 LLNL 的关注领域。

几个月后,在 3DMEA 的基础之上,劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们又开发了一种对在 3DMEA 上逐渐生长、成熟的神经元群落的活动和结构建模的方法,旨在帮助广大科研人员攻克影响大脑的毒素或疾病(如癫痫病)。

实际上,这一结果也正是研究人员预测之中的,不难看出 T-SBM 能够准确地捕获神经元网络随时间变化而产生的差异。

山以险峻成其巍峨,海以奔涌成其壮阔。今年,一场突如其来的新冠肺炎疫情,成为一次特殊的历史见证。面对前所未有的大战大考,习主席亲自指挥、亲自部署,统揽全局、果断决策,为抗击疫情坚定了信心、凝聚了力量、指明了方向。我们党团结带领全国各族人民,进行了一场惊心动魄的抗疫大战,经受了一场艰苦卓绝的历史大考,付出巨大努力,取得抗击新冠肺炎疫情斗争重大战略成果,创造了人类同疾病斗争史上又一个英勇壮举。在这场大战大考中,全军部队坚决贯彻党中央、中央军委和习主席决策号令,闻令而动、勇挑重担,不负重托、不辱使命,充分展现了人民军队忠于党、忠于人民的政治本色和敢打硬仗、善打胜仗的优良作风。今年入汛以来,全国多地出现严重洪涝灾害,人民子弟兵向险而行、驰援灾区,关键时刻发挥突击队作用。实践一再证明,人民军队始终是党和人民完全可以信赖的英雄军队。

无创监测神经元电生理活性

不过,「三维体外模型」是一种研究细胞-细胞、细胞-细胞外基质相互作用的系统。想研究这之间的相互作用,就要利用组织环境中的空间、机械、化学线索,而这在传统的二维模型中是行不通的。

相比以前的方法,T-SBM 的独特之处就在于对神经元生长的时间动态建模。借助这一方法,研究人员可以了解神经群落的结构、进化方式以及在不同实验条件下结构的变化方式。

大约 2 周后,神经元网络生长并成熟,研究人员能够以半小时为增量,记录 3DMEA 中细胞的电生理活性,为每个细胞创建独一无二的高分辨率电极位置图。