专利摘要

专利摘要

总体描述了用于改变神经突生长的系统和方法。在某些实施方案中，系统可以包括包含神经突的神经元和能够产生物理导向因子的电极。物理导向因子可以被用于改变神经突的生长并且在时间上和在空间上可以是动态的，使得神经突生长能以空间方式和/或时间方式改变。神经突生长的动态控制可以被用于形成方向性的神经连接、交叉部和/或重叠。系统包括能够容纳活细胞并且促进细胞生长的室；通道，其中通道被连接于室，其中通道具有小于或等于约20微米的高度和/或宽度；以及交叉通道的至少一个电极对，其具有小于或等于约200微米的中心到中心电极间距，并且其中的多个电极对交叉通道。

权利要求

1.一种方法，包括：

提供包括一个或多个神经突的神经元；

提供交变电流电场；以及

使用所述交变电流电场定向引导一个或多个神经突的伸长。

2.一种方法，包括：

使用交变电流电场定向引导神经突的伸长。

3.一种方法，包括：

使用由两个或多于两个电极产生的场影响神经突的生长，其中，所述电极之间的中心到中心间距小于或等于约200微米。

4.一种方法，包括：

使用在神经突的附近的具有大于或等于约100V/m的强度的电场在多个方向影响所述神经突的生长。

5.一种方法，包括：

提供包括神经突的神经元；

提供物理导向因子，其中，所述物理导向因子能够可逆地阻止所述神经突的生长；以及

使用所述物理导向因子控制所述神经突的生长。

6.一种方法，包括：

允许神经突在第一取向上的生长；以及

把非机械致动的物理导向因子应用于所述神经突，由此影响所述神经突，使得所述神经突的生长在第二取向上发生。

7.一种方法，包括：

提供多于一个神经元，其中，每个神经元包括一个或多个神经突；

提供电场；

独立于另外的神经突控制一个神经突；以及

由所述多于一个神经元形成神经网络。

8.一种产品，包括：

能够容纳活细胞并且促进细胞生长的室；

通道，其中，所述通道被连接于所述室，其中，所述通道具有小于或等于约20微米的高度和/或宽度；以及

多个电极对，其中，一个电极对包括具有小于或等于约200微米的中心到中心间距的两个电极，并且

其中，所述多个电极对与所述通道交叉。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括形成单向的神经元连接。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括形成轴突二极管。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电场是可再配置的。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括在两个维度中引导神经突伸长。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括在三个维度中引导神经突伸长。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括抑制向通道的生长，其中，所述通道中的所述电场的强度小于100V/m。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，包括通过改变所述电场引导所述神经突的生长。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电场是交变电流电场。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电场的强度大于或等于约100V/m。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电场的频率大于或等于约100Hz。

19.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，影响神经突的生长包括阻止神经突生长。

20.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述场通过电极之间具有小于或等于约200微米的中心到中心间距的两个或多于两个电极产生。

21.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，定向引导伸长包括定向引导在三维支架内的神经突伸长。

22.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述支架是凝胶基质。

23.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述支架包含胶原。

24.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，影响神经突的生长包括在实质上相同的条件下相对于在所述场不存在时的神经突伸长加速神经突伸长。

25.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，影响神经突的生长包括可逆地阻止在第一取向上的神经突伸长并且允许在第二取向上的神经突伸长。

26.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第二取向处于相对于垂直于所产生的电场的电极的轴线的大于或等于90度的角。

27.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一取向在xy平面中并且所述第二取向在yz或xz平面中。

28.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述物理导向因子是非机械致动的导向因子。

29.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述神经元选自由以下组成的组：海马神经元、背根神经节神经元、以及视网膜神经节神经元。

30.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电场是非均匀的。

31.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述第一通道包括三维支架。

32.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述支架是凝胶基质。

33.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述支架包含胶原。

34.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述通道的高度小于或等于约20微米。

35.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述通道的高度小于或等于约10微米。

36.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述电极对包括两个平行的电极。

37.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述中心到中心间距小于或等于约100微米。

38.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述中心到中心间距小于或等于约50微米。

39.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述活细胞是神经元。

40.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述活细胞选自由以下组成的组：海马神经元、背根神经节神经元、和视网膜神经节神经元。

41.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述多个电极对不被容纳在所述三维支架内。

42.一种方法，包括：

使用导向因子使第一神经突与第二神经突重叠。

43.一种方法，包括：

引导神经突的生长使其与第二神经突重叠。

44.一种方法，包括：

在三维支架内，使用电场定向引导第一神经突和第二神经突的伸长以形成在第一神经突的集群和第二神经突的集群之间的神经网络。

45.一种方法，包括：

在三维支架内，使用电场加速神经突伸长。

46.一种产品，包括：

连接于第一通道的第一室；

与所述第一通道的至少一部分对准的第一电极对，其中，所述第一电极对的一部分与所述第一室的至少一部分重叠；

连接于第二通道的第二室；以及

与所述第二通道的至少一部分对准的第二电极对，其中，所述第二电极对的一部分与所述第二室的至少一部分重叠，其中，所述第一通道和所述第二通道在具有大于约10微米的高度的重叠区处交叉。

47.一种产品，包括：

连接于第一室和第二室的第一通道；以及

与所述第一通道的至少一部分对准的第一电极对，其中，所述第一电极对的一部分与所述第一室的至少一部分重叠，并且其中，所述第一电极对之间的中心到中心间距小于或等于约200微米。

48.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，包括与所述第一通道对准的第二电极对。

49.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述第一电极对实质上平行于所述第一通道。

50.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述第二电极对实质上平行于所述第二通道。

51.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述第二电极对实质上垂直于所述第一电极对。

52.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述第一通道和/或所述第二通道具有小于或等于约10微米的高度。

53.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述重叠区的高度小于或等于约500微米。

54.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述第一电极对的一部分与所述第二室的至少一部分重叠。

55.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述第二电极对的一部分与所述第二室的至少一部分重叠。

56.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述第二电极对之间的中心到中心间距小于或等于约200微米。

57.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，包括施加电场。

58.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，包括活细胞。

59.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述活细胞选自由以下组成的组：海马神经元、背根神经节神经元、以及视网膜神经节神经元。

60.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述第一通道和/或所述第二通道包括三维支架。

61.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述支架是凝胶基质。

62.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述支架包含胶原。

63.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一电极和所述第二电极之间的中心到中心间距小于或等于约200微米。

64.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电场是交变电场。

65.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电场的强度大于或等于约100V/m。

66.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电场的频率大于或等于约100Hz。

67.根据前述权利要求中的任一项所述的产品，其中，所述第一室和所述第二室被调整和布置为容纳活细胞并且促进细胞生长。

68.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述重叠在三维支架内发生。

69.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一神经突起源于与所述第二神经突不同的神经元。

70.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第二神经突起源于与所述神经突不同的神经元。

71.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，引导生长包括施加导向因子。

72.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述导向因子是物理导向因子。

73.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述导向因子是电场。

74.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电场是交变电流电场。

75.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述第一神经突中的小于10％的第一神经突在所述第一神经突和所述第二神经突重叠处与所述第二神经突形成神经连接。

76.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，神经突与所述第二神经突重叠而不形成神经连接。

77.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述神经突起源于选自由以下组成的组的神经元：海马神经元、背根神经节神经元、以及视网膜神经节神经元。

78.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述支架是凝胶基质。

79.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述支架包含胶原。

80.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电场是非均匀的。

81.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述神经突是轴突。

说明书

相关申请

本申请要求于2013年1月14日提交且名称为“Electrokinetic Confinement of Neurite Growth for Dynamically Configurable Neural Networks”的美国临时专利申请第61/752,183号的优先权，将其整体通过引用并入本文以用于各种目的。

政府资助

本发明在政府支持下并利用国家科学基金会授予的编号为DBI-0852654的资助金和国家卫生研究院授予的编号为RO1-NS066352的资助金完成。政府享有本发明的某些权利。

技术领域

提供了用于改变神经突生长的系统和方法。

背景

在体内发育神经突同时经受在空间上和时间上变化的导向因子的影响。这些导向因子使神经元能够形成功能性的神经网络。例如，来自非洲爪蟾蜍(Xenopus)幼体中的视网膜神经节细胞的早期的神经突在视神经交叉处交叉呈十字形以形成对侧的连接，但是某些之后的神经突由于增高的ephrin-B型配体表达被从中线排斥，并且不交叉。研究和操纵这样的过程要求能够随着神经突发育同时在时间和空间上提供控制的方法和系统。此外，同时还需要能够形成具有分布在短距离上的几个神经突的小神经网络和具有分布在较长距离上的数量较多的神经突的大神经网络的可扩展的方法和系统。现有的方法不能够动态地改变神经突发育和/或不容易扩展。因此，需要改进的方法和系统。

概述

提供了用于改变神经突生长的系统和方法。本发明的主题涉及，在某些情况下的，相互有关的产品、对特定的问题的可选择的解决方案和/或一个或多个系统和/或产品的多个不同的用途。

在实施方案的一个集合中，一系列的方法被提供。在一个实施方案中，方法包括提供包括一个或多个神经突的神经元，提供交变电流电场，以及使用交变电流电场定向引导一个或多个神经突的伸长。

在另一个实施方案中，方法包括使用交变电流电场定向引导神经突的伸长。

在另一个实施方案中，方法包括使用由两个或多于两个电极产生的场影响神经突的生长。电极之间的中心到中心间距小于或等于约200微米。

在另一个实施方案中，方法包括使用电场在多个方向影响神经突的生长。电场在神经突的附近具有大于或等于约100V/m的强度。

在另一个实施方案中，方法包括提供包括神经突的神经元，提供物理导向因子，以及使用物理导向因子控制神经突的生长。物理导向因子能够可逆地阻止神经突的生长。

在另一个实施方案中，方法包括允许神经突在第一取向上的生长以及把非机械致动的物理导向因子应用于神经突，由此影响神经突使得神经突的生长在第二取向上发生。

在另一个实施方案中，方法包括提供多于一个神经元，其中每个神经元包括一个或多个神经突。方法还包括提供电场，独立于另外的神经突而控制一个神经突，以及由所述多于一个神经元形成神经网络。

在一个实施方案中，方法包括使用导向因子使第一神经突与第二神经突重叠。

在另一个实施方案中，方法包括引导神经突的生长使其与第二神经突重叠。

在一个实施方案中，方法包括使用电场在三维支架(scaffold)内定向引导第一神经突和第二神经突的伸长以形成在第一神经突的集群和第二神经突的集群之间的神经网络。

在另一个实施方案中，方法包括使用电场在三维支架内加速神经突伸长。

在实施方案的另一个集合中，一系列的产品被提供。在一个实施方案中，产品包括能够容纳活细胞并且促进细胞生长的室、通道、以及多个电极对。通道被连接于室并且通道具有小于或等于约20微米的高度和/或宽度。一个电极对包括具有小于或等于约200微米的中心到中心间距的两个电极。所述多个电极对交叉通道。

在另一个实施方案中，产品包括连接于第一通道的第一室、与第一通道的至少一部分对准的第一电极对、连接于第二通道的第二室、以及与第二通道的至少一部分对准的第二电极对。第一电极对的一部分可以与第一室的至少一部分重叠并且第二电极对的一部分可以与第二室的至少一部分重叠。在某些例子中，第一通道和第二通道在具有大于约10微米的高度的重叠区处交叉。

在另一个实施方案中，产品包括连接于第一室和第二室的第一通道以及与第一通道的至少一部分对准的第一电极对。在某些例子中，第一电极对的一部分与第一室的至少一部分重叠并且第一电极对之间的中心到中心间距小于或等于约200微米。

根据本发明的各种非限制性的实施方案的以下的详细描述，同时参照附图考虑，本发明的其他的优点和新颖的特征将变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包括矛盾的和/或不一致的公开内容的情况下，本说明书应当主导。

附图简述

本发明的非限制性的实施方案将参照附图以实施例的方式被描述，附图是示意性的并且不旨在按比例进行绘制。在附图中，被图示的每个相同的或近似地相同的部件通常由单个数字表示。为了清楚的目的，不是每个部件都在每个附图中被标记，也不是所示出的本发明的每个实施方案的每个部件都在每个附图中被标记，在这些情况下，图示对于使本领域的技术人员理解本发明不是必需的。在附图中：

图1A-E图示了大体上涉及改变神经突生长的本发明的某些实施方案；

图2A-D图示了大体上涉及形成神经连接的本发明的某些实施方案；

图3A图示了根据本发明的一个实施方案的神经网络；

图4图示了根据本发明的各种实施方案的电系统；

图5A-B图示了根据本发明的某些实施方案的用于改变神经突生长的装置；

图6图示了根据本发明的各种实施方案的神经突生长；

图7图示了根据本发明的一个实施方案的神经突生长；

图8A-B图示了根据本发明的一个实施方案的装置部件的特征；

图9A-B图示了根据本发明的一个实施方案的模型的特征；

图10A-B图示了根据本发明的一个实施方案的模型的特征；

图11A-B图示了根据本发明的一个实施方案的模型的特征；

图12图示了根据本发明的各种实施方案的用于形成神经连接的装置；

图13图示了根据本发明的某些实施方案的神经突的生长；

图14A-B图示了根据本发明的一个实施方案的动作电位记录和荧光图像；

图15A-B图示了根据本发明的某些实施方案的装置部件的特征。

图16A-C图示了根据本发明的某些实施方案的用于改变神经突生长的装置；

图17A-B图示了大体上涉及改变神经突的取向的本发明的某些实施方案；

图18A-B图示了大体上涉及指引在某个区中的神经突生长以及加速神经突伸长的本发明的某些实施方案；

图19A-B图示了大体上涉及减慢神经突伸长的本发明的某些实施方案；

图20A-C图示了大体上涉及改变神经突的取向的本发明的某些实施方案；

图21A-G图示了根据本发明的一个实施方案的用于引导神经突的装置；

图22A-D图示了根据本发明的某些实施方案的使用支架填充通道的方法；

图23A-E图示了根据本发明的一个实施方案的对于各种电压的细胞活力和在各种电压的细胞的图像的图；

图24图示了根据本发明的某些实施方案的在电极对之间的区中的神经突生长。

详细描述

本发明大体上涉及一个或多个神经元的神经长出。用于改变神经突生长的系统和方法被总体描述。在某些实施方案中，系统(例如微流体性的系统)可以包括具有神经突(例如轴突)的神经元和能够产生物理导向因子(例如电运动力)的部件。物理导向因子可以被用于改变神经突的生长并且可以在时间上和在空间上是动态的，使得神经突生长能够以空间和/或时间的方式被改变。在某些例子中，部件可以是电极并且物理导向因子可以是由电场(例如交变电流电场)产生的电运动力。在某些情况下，系统可以包括多于一个神经元，每个神经元包括一个神经突。在某些这样的情况下，一个或多个物理导向因子可以被用于形成神经突之间的单向的连接。这些系统可以非常好地适合于在神经突生长、神经信号传递和形成面向工程的神经网络的定量研究中的应用，但是这些系统也可以在其他的应用中使用。

在活体生物中的神经突生长通过导向因子被指引，导向因子的表达同时在空间上和时间上变化，以形成功能性的神经连接。现有的用于研究神经突生长和/或形成神经连接的系统和方法使用静态的几何构型，并且不能够动态地改变在神经突上应用的导向因子。此外，这些系统和方法中的许多不能够被容易地扩展以由跨越很大的距离的大量的神经突形成神经网络。

已经发现，在本发明的某些实施方案的背景下，对神经突生长和面向可扩展的神经网络的形成的空间和时间控制可以使用动态的物理导向因子(例如电动力的现象)被实现。神经突生长的动态控制开启了多种应用，所述应用的范围从发育生物学(例如发育神经科学)到再生性的装置(例如用于周围神经损伤的设备)。

用于使用动态的物理导向因子改变神经突(例如轴突、树突)的装置的一个实施例在图1A中示出。如在图1A中例证性地示出的，装置10可以容纳包括一个或多个神经突20的位于室25中的神经元15。装置可以包括室25，其能够容纳活细胞并且促进细胞生长，神经突可以在其中生长的通道30，和能够产生物理导向因子的电极35。在某些实施方案中，室和通道可以被配置为使得神经元细胞体16被约束于室，同时一个或多个神经突可以生长到通道30中。在一个实施例中，通道可以具有小于神经元细胞体但大于神经突的平均尺寸的尺寸(例如高度、宽度、横截面积)。通道的尺寸，在某些例子中，也可以限制占据通道的神经突的数量和神经突的方向性。例如，通道的横截面积可以允许单个神经突占据通道。在其它的例子中，通道的横截面积可以允许多个神经突(例如神经突的集群)占据通道。在某些实施方案中，通道可以起作用以通过把神经突生长约束至一个维度而限制神经突的方向性。例如，如在图1B-1D上示出的，把室25连接于第二室25-2的通道30的宽度防止神经突改变取向。因此，进入通道30的正在生长的神经突将朝向室25-2伸长。在其他的实施方案中，通道可以允许多维度的生长，例如方向和平面的改变。在某些例子中，神经突和神经元细胞体可以在通道30中生长。

在某些实施方案中，电极35中的一个或多个可以交叉通道30的至少一部分。在某些情况下，一个或多个电极可以交叉所有的通道，而在其他的情况下，一个或多个电极可能不交叉所有的通道。在某些实施方案中，电极相对于通道的取向(例如夹角)影响神经突生长在物理导向因子存在时如何被改变。例如，在其中物理导向因子是力的实施方案中，电极的取向可以决定力的方向。在一个实施例中，当电极垂直于通道(即90°夹角)时，如在图1A中示出的，平行于通道的力可以被产生。应当理解，电极不施加对神经突生长的物理阻挡并且可以被用于产生非接触的(即无接触的)物理导向因子。

在某些实施方案中，一个或多个电极可以与一个或多个通道的至少一部分对准和重叠。在某些情况下，一个或多个电极的整个的长度可以与一个通道对准和重叠，而在其他的情况下，一个或多个电极的长度的一部分可以不与通道对准和/或重叠。在某些实施方案中，电极相对于通道的取向(例如一个或多个电极与通道平行对准和重叠)影响神经突生长在物理导向因子存在时如何改变。例如，在某些实施方案中，电极的取向可以把神经突生长约束于特定的区、路径和/或平面。

在某些实施方案中，电场36(例如，交变电流电场、直流电电场)在两个电极(即电极对)之间产生，如在图1A中示出的。电场可以产生一个或多个可以改变神经突的生长的物理导向因子(例如电动力的现象、焦耳加热)。在某些实施方案中，物理导向因子可以被集中至特定的附近位置处(例如，在电极之间、邻近电极)。例如，物理导向因子的产生可能要求电场高于某个强度(例如100V/m)。物理导向因子不可能在低于电场门限强度的区域中产生。

改变装置10中的神经突生长的一个实施例在图1B-1D中示出。如例证性地在图1B中示出的，装置10可以容纳位于能够容纳活细胞并且促进细胞生长的室25中且具有第一神经突20-1和第二神经突20-2的神经元15。电极35交叉通道30的一部分。图1B示出了生长期之后在装置10中的神经突20-1和20-2的生长的示意性表示。在生长期期间，神经突20-1和20-2分别地生长到通道30-1和30-2中，并且朝向室25-2伸长。在某些实施方案中，在电极35A和35B之间施加电压，以产生防止神经突20-1经过电极35B伸长的物理导向因子。神经突20-2在物理导向因子不存在时可以伸长至室25-2，如在图1B中示出的。

改变神经突生长的另一个实施例在图1E中进行了图示。如在图1E中示出的，装置100可以容纳位于能够容纳活细胞并且促进细胞生长的室125-1中的具有多个神经突(例如，120-1、120-2、120-3、120-4)的神经元115。在某些实施方案中，装置可以包括电极。在某些实施方案中，一个或多个电极的至少一部分可以与通道重叠。例如，如在图1E中图示的，两个电极对，电极对135和电极对136，的一部分可以与室重叠。在某些实施方案中，由电极产生的物理导向因子可以指引一个或多个神经突(例如，120-1、120-2、120-3)从神经元伸长到电极对之间的区。在某些例子中，电极的至少部分可以与通道130的至少一部分重叠并对准。例如，如在图1E中图示的，电极135A和136A与通道130的一部分对准并重叠。在某些实施方案中，所述一个或多个电极可以实质上平行于通道的壁。在某些例子中，电极的一部分可以实质上平行于通道的壁。在生长期期间，神经突120-1、120-2、120-3、和120-4生长到通道130中并且朝向室125-2伸长。在某些实施方案中，电压被施加于电极135A和136A，以产生把生长(例如伸长)约束在电极135A和136A之间的区内并且防止神经突120-1、120-2和120-3在被通道130界定的整个区内生长的物理导向因子。神经突120-4在物理导向因子不存在时可以在电极135A和136A之间的区的外部的区中生长。

在某些实施方案中，被约束在电极之间的神经突可以具有与在实质上相同的条件(培养环境、温度、压力、湿度等等)下的不被约束在电极之间的神经突相比的增强的(例如加速的)生长(例如伸长)。在某些这样的实施方案中，平行于电极对的至少一部分(例如与通道对准并且重叠的部分)测量的神经突的长度可以大于在电极对的外侧(即不被约束在电极对内)但是在实质上相同的条件下培养的神经突的长度。不希望被理论限制，相信，神经突生长被增强，因为被物理导向因子(例如电场)导致的力限制神经突的生长锥的有效的探测区域。与其有效探测区域不被限制的神经突相比，区域的减少减少了被花费在探测环境的时间总量。在某些实施方案中，神经突伸长可以使用电场在三维支架内加速。在某些这样的实施方案中，用于产生场的电极可以不被容纳在支架内。

在某些实施方案中，神经突的生长的改变可以是可再配置的，如在图1C-D中图示的。图1C示出了包括具有在通道30中生长的神经突的多个神经元的装置10的图像。电极35在通道30-3交叉通道30并且产生在通道30-3中的物理导向因子。在某些实施方案中，在通道30-3中生长的神经突被防止伸长经过电极35B朝向室25-2，如由空心箭头指示的。在不交叉电极的通道30-4中生长的神经突可以朝向室25-2伸长，如由实心箭头指示的。在某些实施方案中，关闭电压消除物理导向因子，这可以逆转神经突生长的改变。如在图1D中示出的，在物理导向因子消除之后，在通道30-3中的神经突可以朝向室25-2伸长，如由实心箭头指示的。

如本文描述的，神经突生长可以使用物理导向因子被改变。改变神经突生长可以涉及改变神经突的一个或多个生长特性。例如，神经突长度和取向二者都可以被改变。在某些例子中，实质上神经突生长的所有的特性都可以被改变。神经突特性的非限制性的示例包括生长速率、神经突长度、取向(例如方向)、位置(例如平面、尺寸)和生长锥特性(例如，肌动蛋白极化)。其他的生长特性也是可能的。通常，任何合适的生长特性都可以被改变。

在某些实施方案中，术语因子或导向因子具有本领域的技术人员已知的一般含义。因子可以指可以被神经元细胞体或神经突接收到并且被该神经元细胞体或神经突翻译为关于一个或多个生长特性的指令的信号(化学物、力等等)。导向因子可以指在被神经元细胞体或神经突翻译为关于一个或多个生长特性的指令之后，根据在实质上相同的条件但是不存在该因子的情况下的所述生长特性的正态统计分布改变一个或多个生长特性、并且允许所述生长特性被改变或控制的因子。在某些例子中，引导或影响神经突生长可以涉及改变一个或多个生长特性在延长的时间时期内的正态统计分布(例如，至少约一个小时、至少约6小时、至少约12小时、至少约24小时、至少约1日、至少约2日、至少约4日、至少约一周)。

在某些实施方案中，物理导向因子具有本领域的技术人员已知的一般含义。例如，在某些实施方案中，物理导向因子是非化学信号，其可以被神经突接收到并且被该神经突翻译为关于一个或多个生长特性的指令。物理导向因子的非限制性的示例包括电动力现象(例如，介电电泳、电渗透、电热效应)、能量(例如热能)、机械力(例如被流体流动产生的、与结构阻挡物的相互作用)、非机械致动的力、光学因子及其组合。应当理解，虽然物理导向因子可以不涉及化学物种对神经突的直接应用，物理导向因子可以产生化学物种和/或使化学物种改变神经突生长。在某些实施方案中，非机械致动的力可以指不起源于一个或多个机械致动元件或不由一个或多个机械致动元件(例如机械致动以自旋的粒子)产生的非接触力。在某些实施方案中，物理导向因子可以起源于不直接接触神经突和/或用作对神经突生长的物理阻挡的一个或多个元件或由其产生。

物理导向因子用于改变神经突生长的方式可以取决于多种因素，例如围绕神经突的几何约束(例如，结构阻挡物)、哪些生长特性被影响、其他的导向因子的存在、物理导向因子的强度、物理导向因子的空间性质和/或时间性质，等等。在其中存在多于一个神经突的实施方案中，物理导向因子用于改变神经突生长的方式可以不同于另一个神经突和/或对于一个神经突的生长改变的结果可以不同于另一个神经突。在某些情况下，该方式和结果可以是实质上相同的。因此，神经突生长改变的结果可以根据实施方案变化。

例如，在某些实施方案中，改变神经突生长可以涉及影响神经突的生长，使得至少一个生长特性不同于神经突的自然生长特性。在某些实施方案中，改变神经突生长可以导致对一个或多个生长特性的控制(例如神经突长度、生长方向、生长速度)。在一个实施例中，物理导向因子可以决定神经突的生长速率并且可以可逆地抑制或阻止生长，例如，如在图1A-B中图示的。在另一个实施例中，如在图1E中图示的，物理导向因子可以增强(例如加速)神经突的生长速率。在某些实施方案中，物理导向因子的对生长速率的影响可以通过比较在物理导向因子存在时所生长的神经突的延伸长度与在实质上相同的条件下且物理导向因子不存在时所生长的神经突的延伸长度的比较而进行量化。例如，在其中物理导向因子抑制或阻止生长的实施方案中，在物理导向因子(例如非接触的物理导向因子)的存在下所生长的神经突的延伸长度与在物理导向因子不存在时所生长的神经突的延伸长度的比率小于或等于约1:1，小于或等于约0.8:1，小于或等于约0.6:1，小于或等于约0.5:1，小于或等于约0.4:1，小于或等于约0.2:1，或小于或等于约0.1:1。

在其中物理导向因子增强生长的实施方案中，在物理导向因子(例如非接触的物理导向因子)存在时所生长的神经突的延伸长度与在物理导向因子不存在时所生长的神经突的延伸长度的比率可以大于或等于约1:1，大于或等于约1.2:1，大于或等于约1.3:1，大于或等于约1:5，大于或等于约1.8:1，大于或等于约2:1，大于或等于约3:1，大于或等于约4:1，大于或等于约5:1，大于或等于约6:1，大于或等于约7:1，或大于或等于约8:1。在某些实施方案中，该比率可以小于或等于约10:1，小于或等于约9:1，小于或等于约8:1，小于或等于约7:1，小于或等于约6:1，小于或等于约5:1，小于或等于约4:1，或小于或等于约2:1。上文提到的范围的所有的组合都是可能的(例如，大于或等于约1.2:1且小于或等于约10:1，大于或等于约1.5:1且小于或等于约10:1，大于或等于约2:1且小于或等于约10:1)。神经突的延伸长度可以根据实施例12中的描述被确定。

在某些实施方案中，物理导向因子可以通过给予神经突特定的方向性或取向而改变生长。例如，在某些实施方案中，物理导向因子可以是排斥在电场区中的生长的电场区。在某些这样的实施方案中，朝向电场区的神经突生长(例如伸长)可以改变其生长方向以避开该电场区，使得神经突在遇到电场区之前和之后的生长角度具有非零的相对改变。例如，如在图17A中示出的，神经突可以具有在遇到电场区之前的第一生长方向202A和在遇到电场区之后的第二生长方向202B。由第一生长方向和第二生长方向形成的角度可以是非零的。在某些实施方案中，多个神经突在遇到电场区之前和之后的生长角度的平均相对改变可以是非零的。相反地，在某些实施方案中，在物理导向因子不存在(例如图17A的对照区)的多个神经突的生长角度的平均相对改变可以是零和/或可以具有比遇到物理导向因子的神经突低很多的数值。

例如，在某些实施方案中，在遇到物理导向因子(例如交变电流电场)之前和之后的多个神经突的生长角度的平均相对改变的数值可以大于或等于约10度，大于或等于约15度，大于或等于约25度，大于或等于约30度，大于或等于约45度，大于或等于约60度，或大于或等于约75度。在某些例子中，在遇到物理导向因子(例如交变电流电场)之前和之后的多个神经突的生长角度的平均相对改变的数值可以小于或等于约90度，小于或等于约85度，小于或等于约80度，小于或等于约75度，小于或等于约60度，或小于或等于约45度。上文提到的范围的所有组合也是可能的(例如，大于或等于30度且小于或等于约90度，大于或等于45度且小于或等于约90度)。在某些实施方案中，生长角度的平均相对改变的数值在高于某个电场强度时可以显著增加。例如，在某些实施方案中，生长角度的平均相对改变的量值可以大于或等于45度，条件是神经突附近的电场强度大于或等于约100V/m。

在某些例子中，物理导向因子可以在一维、二维或三维空间中沿着特定的路径定向引导神经突伸长。在某些例子中，定向引导神经突涉及引导规定方向上的神经突生长。例如，如在图20A中图示的，物理导向因子245(例如，非机械致动的物理导向因子)可以被施加于在xy平面上的第一取向250中生长的神经突并且使神经突在例如z方向(即xz平面或yz平面)的第二取向255中生长。

在某些实施方案中，物理导向因子可以在多个方向影响神经突的生长，使得生长在多于一个方向被改变。在某些例子中，神经突生长可以被改变多于一次。通常，神经突生长可以被改变任何合适的数量的次数。例如，装置可以包括以相同的或不同的方式影响神经突生长的多个物理导向因子。例如，用于形成神经元连接的装置可以包括约束神经突和/或加速神经突伸长的物理导向因子以及把神经突的取向从第一取向(例如xy平面)改变至第二取向(例如yz或xz平面)的物理导向因子。在某些实施方案中，神经突生长的多重的改变可以被用于允许第一神经突的集群重叠第二神经突的集群而不形成神经连接。

在某些实施方案中，物理导向因子可以是连续的。例如，因子可以在应用全过程中连续地改变神经突的生长。应当理解，持续的引导不一定等效于静态的引导，因为方式和/或生长结果的改变可以随时间和/或空间改变。在某些实施方案中，物理导向因子可以是不连续的，使得因子定时和/或定点变化。例如，交变电流电场(例如，交变电流非均匀电场)可以被用于通过切换电极对之间的电压接通和断开可逆地阻止神经突生长。在另一个实施例中，电极对的阵列可以被用于通过提供在时间和空间上变化的局部电场动态地引导伸长。

在某些实施方案中，一个或多个物理导向因子可以被电场产生。电场可以是交变电流电场，例如非均匀的交变电流电场，或直流电电场。通常，任何类型的电场都可以被使用。然而，在某些实施方案中(例如，当紧邻的电极的靠得很近时、当电压很高时)，直流电场可以不被使用，这是由于电解和/或大量的焦耳加热的风险，它们对神经元和/或电极可能是有害的。在某些这样的实施方案中，非均匀的交变电流电场能够克服直流电场的问题，因为高的频率能够最小化有害的电化学反应并且减少焦耳加热的程度。在某些实施方案中，非均匀的交变电流电场对于产生期望的物理因子可能是必需的，代替例如均匀的交变电流电场或直流电场。

通常，电场可以通过多种机制产生物理导向因子。不被理论限制，相信，电动力的现象可以在物理导向因子的产生中起重要作用。在某些实施方案中，电动力的现象使电运动力被施加在神经突和/或其周围环境上。这些力的特性(例如来源、类型、大小、方向)可以决定物理导向因子改变神经突生长的方式。例如，垂直的电运动力可以导致生长被阻止，而非垂直的力可以使神经突改变其取向。在某些实施方案中，电动力的现象和所得到的力对于交变电流(AC)电场和直流电(DC)电场可以不同。在其他的实施方案中，对于交流和直流场的电动力的现象和所得到的力可以是实质上相同的。

在某些实施方案中，电场的某些性质(例如强度、频率)可以影响物理导向因子的性质并且由此影响神经突生长的改变。例如，在给定的电压下，具有较低的频率的AC场可以导致比具有较高的频率的AC场大的神经突生长的抑制。在某些实施方案中，具有某个频率范围的交变电流电场可以被使用。例如，在某些实施方案中，交变电流场的频率可以大于或等于约100Hz，大于或等于约500Hz，大于或等于约1,000Hz，大于或等于约5,000Hz，大于或等于约10,000Hz，大于或等于约50,000Hz，大于或等于约100,000Hz，或大于或等于约500,000Hz。在某些例子中，交变电流电场的频率可以小于或等于约1,000,000Hz，小于或等于约500,000Hz，小于或等于约100,000Hz，小于或等于约50,000Hz，小于或等于约10,000Hz，小于或等于约5,000Hz，小于或等于约1,000Hz，或小于或等于约500Hz。上文提到的范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约100Hz且小于或等于约1,000,000Hz)。其他的值也是可能的。

在某些实施方案中，电场的强度可以影响物理导向因子的性质。在一个实施例中，可能存在用于物理导向因子的产生的门限值，使得物理导向因子可以在低于某个强度时不被产生。通常，电场的强度可以根据期望进行选择。例如，在某些实施方案中，电场的强度可以大于或等于约50V/m，大于或等于约100V/m，大于或等于约200V/m，大于或等于约500V/m，大于或等于约1,000V/m，大于或等于约5,000V/m，大于或等于约10,000V/m，大于或等于约50,000V/m，大于或等于约100,000V/m，或大于或等于约500,000V/m。在某些例子中，电场的强度可以小于或等于约1,000,000V/m，小于或等于约500,000V/m，小于或等于约100,000V/m，小于或等于约50,000V/m，小于或等于约10,000V/m，小于或等于约5,000V/m，小于或等于约1,000V/m，小于或等于约500V/m，大于或等于约200V/m。上文提到的范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约100V/m且小于或等于约1,000,000V/m)。其他的值也是可能的。

在某些实施方案中，产生电场的电极的紧邻性可以影响物理导向因子的性质(例如，向邻近处的集中；生长被改变的方式)。例如，具有小的中心到中心间距(例如1微米)的电极对或许能够把被集中的电场施加于神经突的生长锥，而具有较大的中心到中心间距(例如大于200微米)的电极对或许不能够施加被集中的电场。通常，在电极上的中心到中心间距可以被选择以实现期望的结果。例如，在某些实施方案中，电极之间的中心到中心间距可以小于200微米，小于或等于约150微米，小于或等于约125微米，小于或等于约100微米，小于或等于约75微米，小于或等于约50微米，小于或等于约30微米，小于或等于约10微米，或小于或等于约1微米。在某些例子中，电极之间的中心到中心间距可以大于或等于约0.1微米，大于或等于约1微米，大于或等于约5微米，大于或等于约15微米，大于或等于约30微米，大于或等于约60微米，大于或等于约100微米，大于或等于约140微米，或大于或等于约180微米。上文提到的范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约1微米且小于或等于约100微米)。其他的值也是可能的。

在某些实施方案中，其他的导向因子的存在可以影响物理导向因子的性质。例如，在某些实施方案中，物理导向因子可以把神经突沿着具有由另一个导向因子(例如机械导向因子)导致的对生长的阻挡物的路径定向引导。在某些实施方案中，该另一个导向因子的力可以大于物理导向因子或与其成比例，使得沿着该路径的神经突生长被抑制或阻止。在某些实施方案中，物理导向因子可以把神经突的取向改变至具有比最初的取向大的有效的探测区域的路径。在某些这样的实施方案中，神经突生长(例如，伸长)可以相对于在物理导向因子不存在时在最初的取向中的神经突生长被抑制或减慢。例如，在包含被在第一取向上对准的纤维(例如胶原纤维)的三维支架中的第一取向上的神经突生长可以提供促进神经突生长的追踪线机械导向因子。在某些这样的实施方案中，神经突可以相对于第一取向在第二取向上更慢地生长。

如本文描述的，一个或多个物理导向因子可以被用于改变来自多于一个神经元的神经突的生长。在其中存在多于一个神经元(每个具有至少一个神经突)的实施方案中，可再配置的物理导向因子可以被用于形成方向性的神经连接，例如轴突二极管、神经回路和神经网络。用于使用可再配置的物理导向因子形成方向性的神经连接的装置40的一个实施例在图2A中示出。在某些实施方案中，装置40可以类似于装置10。如在图2A中例证性地示出的，以横截面形式示出的装置40可以容纳位于室25中的具有第一神经突20-1的神经元15以及位于室25-2中的具有第二神经突20-2的第二神经元15-2。装置可以包括多个室(例如，25和25-2)，其能够容纳活细胞并且促进细胞生长，至少一个通道(例如，30A)，其连接两个室并且来自每个神经元的神经突可以在其中生长，以及能够产生物理导向因子的电极35。电极35可以被成对地布置。例如，三个电极可以被布置为形成两个电极对并且每个电极对可以产生电场36，所述电场产生一个或多个物理导向因子。在某些实施方案中，每个电极对可以作为具有锁定器的门。门可以在电压被施加在电极上时被关闭(即锁定)，并且在电压不存在时被打开。在某些例子中，如在图2A中图示的，电极对交叉邻近该室的通道。在其它的例子中，电极与通道的交叉位置可以变化，并且存在的电极对的数量也可以变化。例如，两个或多于两个电极对可以在沿着其长度的任意点交叉通道。通常，电极对的位置可以根据期望进行选择。室和通道也可以被配置为使得神经元细胞体被约束于室，同时神经突可以生长到每个通道中。

使用一个或多个可再配置的物理导向因子的方向性的神经连接的形成的一个实施例在图2B-C中示出。如在图2B中例证性地示出的，在平面图中示出的装置40可以含有被分别地容纳在第一室25-1、第二室25-2和第三室25-3中的第一神经元15-1、第二神经元15-2和第三神经元15-3。装置可以包括神经突可以分别在其中生长的第一通道30-1B、第二通道30-2B和第三通道30-3B。在某些实施方案中，如在图2B中示出的，装置被配置为使得每个室被唯一的一个通道连接于另一个室，使得每个室被连接于两个通道。在其他的情况下，每个室可以被多于一个通道连接于另一个室。如在图2B中示出的，三个电极(即两个门)可以交叉邻近该室的每个通道。

用于使用装置40形成通道中的方向性的神经连接(例如轴突二极管)的方法，根据实施方案的一个集合，在图2C-D中被示出。图2C示出了用于图2D中的轴突二极管系统的每个图像的电场的存在，如被“x”指示的，或不存在，如被虚线指示的。如在图2Ci和2Di中示出的，轴突二极管的形成在神经突进入通道(例如30-1B)的每个终端端部31和32时开始。两个电极对(即三个电极)被定位为邻近每个终端端部并且用作门。为了形成单向的连接，电压可以被施加于在每个终端端部处的门以锁定该门。在某些实施方案中，神经连接的方向性由哪个门首先被打开(即电压的消除)定义。例如，如在图2Cii和2Dii中示出的，电压被施加于邻近终端端部32的电极。在某些情况下，电场产生在电极对附近的可逆地阻止或抑制神经长出的物理导向因子。电压不被施加于邻近终端端部31的电极，使得神经元可以生长经过通道。神经元的生长锥由白色的箭头指示。一旦神经突的生长锥经过邻近31的两个门并且接近邻近32的门，那么邻近终端端部32的门被转动打开并且邻近终端端部31的门被转动锁定，如在图2Ciii和2Diii中示出的。在某些实施方案中，邻近终端端部31的门被锁定，以防止另一个神经突在通道中生长。此外，邻近终端端部32的门被打开以允许神经突连接。在某些实施方案中，在轴突二极管形成之后，所有的门都被锁定以防止其他的神经突进入通道。在某些实施方案中，这种打开和关闭门的方法可以被重复以形成另外的神经连接。

使用一个或多个可再配置的物理导向因子形成方向性的神经网络的一个实施例在图3中示出。在某些实施方案中，装置40可以被用于形成神经网络。为了形成神经网络，门被打开和关闭，与上文的实施例相似，使得神经连接在室25-1和25-2以及室25-2和25-3之间形成。连接不在室25-1和25-3之间形成，如被图3中的具有“X”的箭头指示的。在某些实施方案中，连接可以是单向的，如在图3中示出的。连接的方向被箭头指示并且在相反的方向的方向性的连接的缺乏被具有“X”的箭头指示。

在某些实施方案中，一个或多个导向因子(例如，物理的和无接触的导向因子)可以被用于引导在两个和/或三个维度中的神经突生长并且形成复杂的神经网络。例如，在某些实施方案中，一个或多个导向因子可以被用于使第一神经突或神经突的集群重叠第二神经突或神经突的集群，例如，使用了导向因子(例如，物理的和无接触的导向因子)。在某些这样的实施方案中，一个或多个导向因子的使用允许神经突重叠而不形成神经连接或形成在重叠区中的相对地少的神经连接。例如，在某些实施方案中，第一集群中的形成在重叠区处的与第二集群中的神经突的连接的神经突的百分数可以小于或等于约10％，小于或等于约8％，小于或等于约5％，小于或等于约3％，小于或等于约2％，小于或等于约1％，小于或等于约0.75％，小于或等于约0.5％，小于或等于约0.25％，小于或等于约0.1％，小于或等于约0.05％，小于或等于约0.01％，或小于或等于约0.001％。

在某些实施方案中，第一神经突的集群可以在三维支架内重叠第二神经突的集群。在某些这样的情况下，导向因子可以是非接触的物理导向因子(例如，电场)。在某些实施方案中，被用于产生导向因子的物体可以不被容纳在三维支架内。例如，在其中导向因子是电场的实施方案中，被用于产生电场的电极可以不被容纳在支架内。在其他的实施方案中，被用于产生电场的电极可以被容纳在支架内。

用于形成两个或多于两个神经突在其处重叠的区的装置的一个非限制性的实施例在图21F中示出。在某些实施方案中，装置可以容纳第一室300，第一室300调整和布置为容纳一个或多个活细胞并且促进细胞生长，而且被连接于第一通道305。装置还可以容纳第一电极对310，第一电极对310与第一通道的至少一部分对准，使得第一电极对的一部分与第一室的至少一部分重叠。在某些情况下，第一电极对中的至少一个电极(例如电极中的每个电极)可以与同时与第一室的至少一部分重叠的另一个电极形成配对，如在图1E中图示的。装置可以还容纳第二室320，第二室320调整和布置为容纳一个或多个活细胞并且促进细胞生长，而且被连接于第二通道325。在某些例子中，装置容纳与第二通道的至少一部分对准的第二电极对330。第二电极对的至少一部分可以与第二室的至少一部分重叠。在某些情况下，第二电极对中的至少一个电极(例如电极中的每个电极)可以与同时与第一室的至少一部分重叠的另一个电极形成配对，如在图1E中图示的。在某些实施方案中，重叠区中的通道的高度可以是高至足以允许在三个维度中的神经突生长，如在下文更详细地描述的。例如，第一通道和第二通道可以在具有以下高度的重叠区处交叉：大于约20微米且小于或等于约1000微米(例如大于约20微米且小于或等于约500微米、大于或等于约50微米且小于或等于约1000微米、大于约20微米、大于或等于约50微米)。在某些实施方案中，第一通道和第二通道的至少一部分可以被三维支架填充，如在下文更详细地描述的。在某些例子中，整个的第一通道和第二通道可以被三维支架填充。

在某些实施方案中，如在图21F中图示的，第二电极对在第二通道与第一通道重叠的部分中可以是不连续的。在某些这样的情况下，第二电极对可以具有允许第一电极对经过下述区域的缝隙335，在该区域处各个通道交叉且第一电极对与第二电极对中的至少一个电极交叉或重叠。

在某些实施方案中，装置可以被用于使神经突重叠而不形成神经连接。在某些实施方案中，一个或多个神经元(例如，神经元的第一集群)被接种在第一室中并且一个或多个神经元(例如，第二集群)被接种在第二室中。通道可以被三维支架填充，使得在通道内的神经突伸长在支架中发生。在某些实施方案中，与第一室重叠的电极部分可以把神经突伸长朝着第一通道引导至电极对之间的区中。在某些例子中，伸长到在电极之间的支架区内中的神经突可以被抑制经过电极对中的一个或多个电极。不被理论限制，相信，围绕电极的边缘的电场抑制和防止神经突在在电极对的外侧的区中伸长。在某些这样的情况下，神经突被约束以在在电极之间的支架区内伸长，并且，在某些例子中，沿着实质上平行于一个或多个电极的方向。在某些实施方案中，第一电极对用于定向引导神经突的至少一部分从第一室到达第一电极对的端部(例如位置340)。应当理解，电极可以不在三维支架内并且在电极之间的区可以指在电极之间但是不一定直接物理地接触电极的三维空间。

与第二室重叠的电极部分也可以把神经突伸长朝着第二通道引导至电极对之间的区中并且把神经突的生长约束于电极之间的区。在某些实施方案中，在第二通道中的神经突可以伸长至重叠区和遇到来自第一电极对的电场(例如交变电流电场)。由第一电极对产生的电场可以抑制在强电场区(例如，其中来自第一电极的电场的强度大于或等于约100V/m)中的神经突生长。在某些实施方案中，在第二通道中的神经突可以改变取向以包围由第一电极对产生的强电场区。例如，神经突可以改变它们的取向的z轴分量以包围强电场，如在图20A中图示的。不被理论限制，相信，z轴改变防止在第一通道中的神经突和在第二通道中的神经突之间的接触并且因此防止神经连接的形成。在某些实施方案中，第二电极对的部分可以继续以影响神经突越过第一电极的伸长方向的x轴分量和y轴分量。在某些这样的实施方案中，在神经突伸长经过第一电极对之后，神经突被再次引入第二电极对之间的区中和/或继续在其中伸长。

在某些实施方案中，一个或多个导向因子可以被用于使用导向因子(例如物理导向因子)定向引导第一和第二神经突的集群的伸长以形成第一神经突的集群和第二神经突的集群之间的神经网络。在某些实施方案中，一个或多个导向因子可以被用于定向引导在第一神经突的集群和第二神经突的集群的三维支架内的神经突伸长以形成神经网络。在某些这样的情况下，导向因子可以是非接触的物理导向因子(例如电场)。在某些实施方案中，被用于产生导向因子的物体可以不被容纳在三维支架内。例如，在其中导向因子是电场的实施方案中，被用于产生电场的电极可以不被容纳在支架内。在其他的实施方案中，被用于产生电场的电极可以被容纳在支架内。

用于形成两个或多于两个神经突在其处重叠的区的装置的一个非限制性的实施例在图21G中示出。在某些实施方案中，装置可以含有被连接于调整和布置为容纳一个或多个活细胞并且促进细胞生长的第一室400和第二室405的通道402。装置也可以包括与第一通道的至少一部分对准的第一电极对410。第一电极对可以与第一室的至少一部分重叠并且其中第一电极对之间的中心到中心间距小于或等于约200微米(例如，小于或等于约150微米、小于或等于约100微米、小于或等于约50微米)。在某些实施方案中，第一电极对可以与第二室的至少一部分重叠。在某些实施方案中，第一通道的至少一部分可以被三维支架填充。在某些例子中，整个的第一通道可以被三维支架填充，使得神经突的伸长在支架内发生。在某些情况下，第一电极对中的至少一个电极(例如电极中的每个电极)可以与同时与第一室的至少一部分重叠的另一个电极形成配对，如在图1E中图示的。

在某些实施方案中，装置可以被用于使用导向因子(例如交变电流电场)定向引导神经突的伸长以形成在神经突之间的神经网络。在某些实施方案中，一个或多个神经元(例如，神经元的第一集群)被接种在第一室中并且一个或多个神经元(例如，第二集群)被接种在第二室中。通道可以被三维支架填充，使得在通道内的神经突伸长在支架中发生。在某些实施方案中，与第一室重叠的电极部分可以把神经突伸长朝向第一通道引导至电极对之间的区中。在某些实施方案中，从在第二室中的一个或多个神经元伸长的一个或多个神经突可以在第一电极对之间的区内伸长。在其中第一电极的一部分与第二室重叠的实施方案中，与第二室重叠的第一电极部分也可以引导神经突伸长朝向并进入电极对之间的区中，并且把神经突的生长约束于在电极之间的区。在某些实施方案中，从第一通道中的第一室伸长的一个或多个神经突和第一通道中的从第二室伸长的一个或多个神经突可以在第一通道中相遇并且形成神经网络。

通常，来自任何合适的神经元的神经突都可以与来自任何其他合适的神经元的神经突重叠或与其形成神经连接。应当理解，来自不同的神经元(例如不同的细胞体、不同的神经元类型、不同的神经元类别等等)或相同的神经元(例如不同的细胞体、不同的神经元类型、不同的神经元类别等等)的神经突可以被使用。

如本文描述的，电信号可以被施加于能够培养活细胞(例如神经元)的装置。在某些实施方案中，装置可能需要被放置在有益于活细胞的维护和生长的环境中(例如在培育器中)并且被附接于允许电信号被施加于装置的系统。能够在对于细胞维护和生长有益的环境中的同时把电信号提供至如本文描述的装置的系统，在图4中示出。在某些实施方案中，如在图4中示出的，使用被联接于电路板组件125的连接器124可将电信号施加于芯片123上的装置，电路板组件可以产生电信号并且把电信号重路由和/或保持至一个或多个电极。在某些实施方案中，组件125可以被连接于小型计算机121，小型计算机121控制整个的组件。在某些情况下，小型计算机可以自主地控制组件的操作(例如，电信号的施加和保持在装置中的电极之间)。在某些例子中，装置，例如web服务器，可以被安装在小型计算机上使得对于每个电极的参数(例如电压、频率)可以被远程地(例如通过互联网120、通过远程计算机连接等等)实时地改变。

如本文描述的，包括通道、室和电极、以及其他部件的装置可以在使用物理导向因子的神经突生长的改变和神经连接的形成中使用。在某些实施方案中，装置部件的特征(例如尺寸、制造材料、布置)可以影响装置的操作。例如，为了改变神经突生长，装置可以具有一个或多个微尺度部件(例如，室、通道、电极)。在某些情况下，装置可以是微流体性的装置。通常，装置部件的特征可以根据期望进行选择。

在某些实施方案中，电极与通道或通道的夹角可以大于或等于约0℃，大于或等于约15℃，大于或等于约45℃，大于或等于约90℃，大于或等于约135℃，或大于或等于约150℃。在某些例子中，该角度可以小于或等于180℃，小于或等于约150℃，小于或等于约115℃，小于或等于约90℃，小于或等于约60℃，或小于或等于约30℃。上文提到的范围的组合也是可能的(例如，小于或等于约0℃且小于或等于约135℃)。其他的值也是可能的。在某些实施方案中，一个电极可以以与另一个电极不同的角度交叉通道。相反地，一个电极可以以与另一个电极实质上相同的角度交叉通道。在某些例子中，一个电极可以以与另一个通道不同的角度交叉通道。在其它的例子中，一个电极可以以与另一个通道相同的角度交叉通道。

在某些实施方案中，室的尺寸可以根据期望进行选择。应当理解，室可以具有任何合适的横截面尺寸。例如，在某些实施方案中，室可以具有以下的最大横截面尺寸：小于或等于约2,000微米、小于或等于约1,000微米、小于或等于约750微米、小于或等于约600微米、小于或等于约500微米、小于或等于约300微米、小于或等于约200微米、小于或等于约100微米、小于或等于约50微米、小于或等于约25微米、小于或等于约10微米、或小于或等于约5微米。在某些例子中，室可以具有以下的最大横截面尺寸：大于或等于约0.01微米、大于或等于约0.1微米、大于或等于约1微米、大于或等于约5微米、大于或等于约10微米、大于或等于约20微米、大于或等于约50微米、大于或等于约100微米、大于或等于约200微米、大于或等于约400微米、大于或等于约600微米、大于或等于约900微米、或大于或等于约1,500微米。上文提到的范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约1微米且小于或等于约1,000微米)。最大横截面尺寸的其他的值也是可能的。

在某些情况下，室的至少一个或至少两个横截面尺寸(例如高度和宽度)可以小于或等于约750微米，小于或等于约500微米，小于或等于约300微米，小于或等于约200微米，小于或等于约100微米，小于或等于约50微米，小于或等于约20微米，小于或等于约10微米，或小于或等于约5微米。在某些例子中，室的至少一个或至少两个横截面尺寸可以大于或等于约0.01微米，大于或等于约0.1微米，大于或等于约1微米，大于或等于约5微米，大于或等于约10微米，大于或等于约25微米，大于或等于约50微米，大于或等于约100微米，大于或等于约200微米，大于或等于约400微米，或大于或等于约600微米。上文提到的范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约10μm且小于或等于约500μm)。其他的值也是可能的。

室可以具有某个宽度与高度比率。在某些例子中，室的宽度与高度的比率可以大于或等于约1:1，大于或等于约2:1，大于或等于约5:1，大于或等于约10:1，大于或等于约15:1，大于或等于约20:1，大于或等于约50:1，大于或等于约100:1，大于或等于约200:1，大于或等于约300:1，或大于或等于约400:1。在某些例子中该宽度与高度比率可以小于或等于约500:1，小于或等于约400:1，小于或等于约300:1，小于或等于约200:1，小于或等于约100:1，小于或等于约50:1，小于或等于约20:1，小于或等于约15:1，小于或等于约10:1，小于或等于约5:1，或小于或等于约2:1。上文提到的范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约1:1且小于或等于约20:1)。其他的值也是可能的。

室也可以具有以下的纵横比(长度与最大的平均横截面尺寸)：至少2:1，更典型地至少3:1、8:1或20:1。在某些情况下，通道、通道片段或通道部分具有非常大的纵横比，例如，至少100:1、500:1或1000:1。

在某些实施方案中，室可以具有以下的长度：大于或等于约1mm、大于或等于约5mm、大于或等于约10mm、大于或等于约20mm、大于或等于约40mm、大于或等于约60mm、或大于或等于约80mm。在某些例子中，长度可以小于或等于约100mm，小于或等于约90mm，小于或等于约70mm，小于或等于约50mm，小于或等于约30mm，或小于或等于约10mm。上文提到的范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约1mm且小于或等于约100mm)。长度的其他的值也是可能的。

在某些实施方案中，通道的尺寸可以根据期望进行选择。在某些实施方案中，通道的高度可以影响电场存在或不存在时生长神经元的取向。例如，通道的高度可以使神经突生长被约束于二维的或三维的平面。在一个实施例中，通道的高度可以是相对较小(例如，小于或等于约10微米、小于或等于约5微米)，使得生长锥被在空间上约束并且不能够在三维中生长并且被限制，例如，被限制成沿着z方向。在某些例子中，通道的高度可以是相对较大(例如，大于或等于约50微米、大于或等于约100微米、大于或等于约200微米、大于或等于约300微米、大于或等于约1000微米)，使得生长锥不被在空间上约束并且能够在三维中生长。

应当理解，通道可以具有任何合适的横截面尺寸。例如，在某些实施方案中，通道可以具有以下的最大横截面尺寸：小于或等于约1cm、小于或等于约5000微米、小于或等于约2000微米、小于或等于约1000微米、小于或等于约500微米、小于或等于约300微米、小于或等于约200微米、小于或等于约100微米、小于或等于约50微米、小于或等于约25微米、小于或等于约10微米、小于或等于约5微米、小于或等于约2微米、或小于或等于约1微米。在某些例子中，通道可以具有以下的最大横截面尺寸：大于或等于约0.1微米、大于或等于约1微米、大于或等于约5微米、大于或等于约10微米、大于或等于约25微米、大于或等于约50微米、大于或等于约100微米、大于或等于约200微米、大于或等于约300微米、大于或等于约500微米、大于或等于约1000微米、大于或等于约2000微米、或大于或等于约5000微米。上文提到的范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约1微米且小于或等于约2000微米)。最大横截面尺寸的其他的值也是可能的。

在某些情况下，通道的至少一个或至少两个横截面尺寸(例如高度、高度和宽度)可以小于或等于约2000微米，小于或等于约1000微米，小于或等于约500微米，小于或等于约300微米，小于或等于约200微米，小于或等于约100微米，小于或等于约50微米，小于或等于约30微米，小于或等于约20微米，小于或等于约10微米，小于或等于约5微米，小于或等于约2微米，或小于或等于约1微米。在某些例子中，通道的至少一个或至少两个横截面尺寸可以大于或等于约0.01微米，大于或等于约0.1微米，大于或等于约1微米，大于或等于约5微米，大于或等于约10微米，大于或等于约25微米，大于或等于约50微米，大于或等于约75微米，大于或等于约125微米，大于或等于约200微米，大于或等于约300微米，大于或等于约500微米，或大于或等于约1000微米。上文提到的范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约0.1微米且小于或等于约10微米、大于或等于约1微米且小于或等于约2000微米)。其他的值也是可能的。

通道可以具有某个宽度与高度比率。在某些例子中，通道的宽度与高度的比率可以大于或等于约1:1，大于或等于约1.6:1，大于或等于约3:1，大于或等于约5:1，大于或等于约10:1，大于或等于约15:1，或大于或等于约20:1。在某些例子中，该宽度与高度比率可以小于或等于约30:1，小于或等于约20:1，小于或等于约15:1，小于或等于约10:1，小于或等于约5:1，或小于或等于约2:1。上文提到的范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约1:1且小于或等于约20:1)。其他的值也是可能的。

通道也可以具有以下的纵横比(长度与最大的平均横截面尺寸)：至少50:1，更典型地至少75:1、90:1或150:1。在某些情况下，通道可以具有非常大的纵横比，例如，至少200:1、500:1、1,000:1或10,000:1。

在某些实施方案中，通道可以具有以下的长度：大于或等于约50微米、大于或等于约100微米、大于或等于约200微米、大于或等于约400微米、大于或等于约600微米、或大于或等于约800mm。在某些例子中，长度可以小于或等于约1,000微米，小于或等于约750微米，小于或等于约450微米，小于或等于约250微米，小于或等于约150微米，或小于或等于约75微米。上文提到的范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约100微米且小于或等于约750微米)。长度的其他的值也是可能的。

在某些实施方案中，通道的至少一部分可以被三维支架填充。三维支架或许能够容纳活细胞或活细胞的部分并且促进细胞生长和发育(例如神经突生长)。在某些实施方案中，三维支架可以帮助在多个维度中(例如在三维中)的神经突生长。通常，支架可以从任何合适的能够容纳活细胞或活细胞的部分并且促进细胞生长和发育的材料形成。本领域的技术人员将知道合适的支架材料。合适的支架材料的非限制性的示例包括胶原、层粘连蛋白、多糖、多肽、凝胶基质、胞外复合物(例如，基质胶)、基质蛋白质(例如，纤连蛋白、明胶)、水凝胶、弹性蛋白、腱生蛋白、蛋白聚糖、糖胺聚糖、生长因子及其组合。

在某些实施方案中，通道的一个表面的至少一部分可以被分子功能化。在某些实施方案中，分子可以改变神经元和/或神经突的生长和/或改变神经元和/或神经突到表面部分的附接。在某些例子中，分子可以增强(例如加速)细胞体或神经突生长和/或附接。在其它的例子中，分子可以减少细胞体或神经突生长和/或附接。在某些情况下，分子可以是化学物导向因子。本领域的技术人员将基于本文提供的描述知道合适的分子。

在某些实施方案中，神经元或活细胞可以选自由以下组成的组：海马神经元、背根神经节、视网膜神经节神经元、高尔基I神经元、高尔基II神经元、篮状细胞、贝茨细胞、lugaro细胞、中型多棘神经元、浦肯野细胞、闰绍细胞、单极刷细胞、颗粒细胞、前角细胞、运动神经元、纺锤形细胞、假单极神经元、多极子神经元、中间神经原、运动神经元、感觉神经元、星状细胞及其组合。通常，任何合适的神经元都可以被使用。

以下的参考文献为了所有目的以其整体通过引用并入本文：美国临时专利申请第61/752,183号，于2013年1月14日提交，并且名称为“Electrokinetic Confinement of Neurite Growth for Dynamically Configurable Neural Networks”。

以下的实施例意图例证本发明的某些实施方案，但是不示例本发明的全部范围。

实施例1

本实施例描述了使用交变电流(AC)电场用于动态地控制被培养的大鼠海马神经元中的轴突生长。发现，以在10⁵Hz的数量级的频率的适度的电压的施加可以使正在发育的轴突在毗邻于电极处被停止，同时远离电场的轴突展示不被抑制的生长。通过切换电极接通或断开，电极之间的轴突通路可以被可逆地抑制或允许。

为了确定交变电流运动力是否能够影响轴突生长，开发了微流体性的平台，如在图1A和5A-B中示出的，基于轴突隔离装置，其主要由两个宽的微流体性的室组成，在其中的一个室中培养神经元。两个室由把轴突长出限制至一个维度的平行的微通道的阵列连接。为了允许交变电流电场在微通道内的施加，微流体性的平台被粘合于已经被互相交叉的金电极(被间隔15μm的15μm宽度)预图案化的玻璃。通过粘合玻璃和PDMS使得电极垂直于微通道延伸，平行于通道起作用以阻挡一维的轴突生长的交变电流运动力可以被施加。

在把神经元加入至培养室后，广泛的神经突长出在体外(DIV)发生4日，使许多神经突进入微通道(图5A)。图1A示出了微流体性的神经元电动力平台的装置的被图示的横截面。图5A是在装置中在体外在四日生长的神经元的图像。图中的刻度条是50微米。图5B是示出了4井流体性的接口和电接口的照片。刻度条是1cm。

然后AC信号被施加于电极并且轴突生长被监视。在不与电极交叉的微通道中，轴突生长经过微通道的长度(图1C-D)。然而，当场被施加时，在具有电极的微通道中的轴突在电极处的生长停止(图1C)。一旦场被关闭，那么轴突恢复它们经过微通道的生长(图1D)，指示它们仍然是有活力的。为了量化AC场具有的对轴突生长的影响，AC信号的频率和电压幅度二者都在在体外持续施加7天之后被变化。频率被限于100kHz-1MHz的范围并且电压被限于0-3V_p-p的范围以避免显著的温度升高(ΔT～σV²/k，其中σ是介质电导率并且k是其热导率，因此在细胞培养基中在最大电压下ΔT～7℃)或在高电导率海马神经元培养基中的电解(在σ_m＝0.98±0.08S/m测量到的)。AC信号的频率和电压二者具有对轴突长度的显著的影响，使在给定的电压下使用较低的频率导致轴突长出的较大的抑制(图6)。

图1C是在微通道中的轴突生长的荧光性的假彩色图像，在体外使用了垂直的互相交叉的电极4天。神经元被微管蛋白-GFP杆状病毒感染用于活细胞可视化目的。封闭的箭头表示在生长经过微通道的没有电极的对照通道中的轴突。空心箭头表示在电极边缘处停止的具有电极的微通道中的轴突。频率是100kHz并且电压是2V。刻度条是150微米。图1D是在体外持续4天的施加电场之后在体外6天的轴突生长的荧光性的假彩色图像。封闭的箭头表示轴突的端部。图6是在使电压接通的芯片中培养7天之后的标准化的轴突长度相对于电压的图。(***：p<0.001)。在该图中，n是指在两个独立的复制的实验内测量到的轴突的数量。

图7示出了在用于对照实验(没有场施加)和用于被AC电动力学效应阻挡的轴突的平台中的随时间变化的轴突的长度。距第一电极以及距通道的端部的距离被突出显示。来自主体隔室的轴突在大约3日内到达第一电极，而在把轴突从AC阻挡释放之后的轴突伸长耗费小于1日。该结果显著地表明在体外4日和体外6日之间的观察到轴突伸长来源于被阻挡的轴突伸长以及没有新的树突从细胞体隔室生长。

图8示出了使用罗丹明B进行的电极周围的温度测量，罗丹明B是具有温度相关的荧光强度的荧光团(在培养基中的浓度为1mM)。图8A是围绕电极的罗丹明B的假彩色图像。颜色代表温度的空间分布。罗丹明B荧光强度随着增加的温度减少，所以暗颜色的区域指示与橙色区域相比的更高的温度。因此，无电极的微流体性的室(区域1)是橙色(较冷的)，而具有电极的微通道(区域3)是红色(较暖的)。可以在电极被粘合于PDMS之处(区域2)并且更具体地在沟槽中并且靠近于电极处(区域2的左侧)看到最高温度区域，其中轴突被发现在电压>3.5V_p-p时不再进行生长。刻度条指示50微米。图8B是提取的温度的折线图。每个点包括施加给定频率的电压持续5秒并且使用具有三个不同的互相交叉的电极的TRI

用于动态可配置神经网络的神经突生长的电动力约束专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。