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。
[0092]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。
[0093] 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。
[0094] 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。
[0095] 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。
[0096] 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°C，大于或等 于约15°C，大于或等于约45°C，大于或等于约90°C，大于或等于约135°C，或大于或等于约 150°C。在某些例子中，该角度可以小于或等于180°C，小于或等于约150°C，小于或等于约 115°C，小于或等于约90°C，小于或等于约60°C，或小于或等于约30°C。上文提到的范围的 组合也是可能的（例如，小于或等于约〇°C且小于或等于约135°C )。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。
[0097] 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1，〇〇〇微米）。最大横截面尺寸的其他的值也是可能的。
[0098] 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10 ym且小于或等于约500 ym)。其他的 值也是可能的。
[0099] 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。
[0100] 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。
[0101] 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1_且小于或等于约100mm)。长度的其他 的值也是可能的。
[0102] 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。
[0103] 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lcm、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。
[0104] 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。
[0105] 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。
[0106] 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。
[0107]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。
[0108]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。
[0109]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。
[0110] 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。
[0111] 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'，。
[0112] 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。
[0113] 实施例1
[0114]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l〇5Hz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。
[0115]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15 ym的15 ym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。
[0116]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lcm。
[0117]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 ID)，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lOOkHz-lMHz的范围并 且电压被限于〇_3Vpp的范围以避免显著的温度升高（AT~ 〇V2/k，其中〇是介质电导率 并且k是其热导率，因此在细胞培养基中在最大电压下AT~7°C)或在高电导率海马神经 元培养基中的电解（在〇 "= 〇. 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)。
[0118] 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。（林* :P〈〇.001)。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。
[0119] 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。
[0120] 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ImM)。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. 5VPP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TRITC滤波器集合取得图像（500ms曝光时间，固定的照相机增益），每个电极都在 温度受控的阶段被设置为37. 5°C。对于每个图像，来自240X480微米的区域（区域2)的 荧光强度在空间上并且跨越三个电极被平均，并且与校准曲线进行比较。使用热板进行校 准，以确定罗丹明B荧光强度的温度依赖性，获得与在文献中观察到的斜率一致的测量到 的斜率（-1. 3/°C )。测量到的温度独立于频率并且随着电压超线性地（supralinearly)增 加，这将是焦耳加热所期望的。
[0121] 实施例2
[0122] 本实施例描述了在神经突的生长锥上的电动力学效应的建模。不被理论限制，该 模型表明介电电泳是导致物理导向因子的作为起因的AC电动力学效应。
[0123] 电动力学效应的机制可以通过确定哪个类型的AC电动力的现象与图1D中的结果 是一致的而被辨别。作用在生长锥上的不同的交变电流运动力被建模。
[0124] 生长锥被在玻璃表面附近椭球地控制形状，连接于是10倍小于其宽度的轴突，并 且其很大部分包括协调其的生长的肌动蛋白丝。生长锥被建模为由三个外壳组成的核-壳 扁圆物体（图9) :(1)_肌动蛋白层（宽度a = 2ym，高度b = 200nm)，（2)_细胞质层（均 匀的高度= 300nm)和（3)-细胞膜（均匀的高度d# = 10nm)。该物体的特征长度是 a!= b+d膜和a2= a 3= a+d细胞质+d膜。该可极化的物体被暴露于3个力：AC电渗透（ACEO) 和电热效应（ETE)，其是作用在纯流体（即在颗粒不存在时）上的电流体动力的力以及介电 电泳（DEP)，其作用在生长锥本身上。
[0125] ACEO是指当AC信号被施加时在电极表面附近产生的流动。其是频率相关的流动， 在切向的电场和所产生的双层电荷的乘积达到最大时的频率下达到最大。遵循传统的方法 以建模共面的电极ACEO,在电极上的时间平均的ACEO速度（<u AeE。〉）表示如下：
[0126]
[0127] ( 1 )
[0128] 其中，fiAeE。是无量纲的频率，e n是介质的介电常数，〇，介质电导率，V。是被施 加在电极上的电势，r是力在其处被评价的极坐标（在此r被设置为生长锥的半长度），A d 电解质/电极界面的德拜长度并且《是AC信号的频率。
[0129] 第二，电热流动可以在电场被施加在介质中并且导致焦耳加热时产生。对于非均 匀的场（如在此种情况下），在热量产生中将具有空间变化，这导致局部介电常数和电导率 中的