向大脑学算力！Biosens Bioelectron：3D堆叠脑类器官突破二维培养局限，神经信号活性提升2.8倍打造生物处理器

在人工智能飞速发展的今天，我们享受着自动驾驶、语音识别等技术带来的便利，却也面临着传统计算架构能耗高、效率低的困境。硅基芯片的微型化已接近物理极限，而人类大脑仅需20瓦功率，就能轻松处理复杂的感官信息和学习任务。这促使科学家将目光投向生物系统，探索以脑类器官为核心的生物计算新范式。

近期，Biosens Bioelectron杂志发表的一项研究A scalable 3D packaging technique for brain organoid arrays toward high-capacity bioprocessors，为这一领域带来了突破性进展。

脑类器官是由干细胞分化形成的三维神经结构，能模拟人脑的发育和功能，是构建生物处理器的理想材料。然而，传统二维培养方式下，类器官的规模和功能受限：神经元数量和突触连接不足，难以形成复杂神经网络；而单纯增大类器官体积又会导致中心缺氧坏死。如何在扩大规模的同时保证类器官存活与功能，成为制约生物处理器发展的关键难题。

韩国科学技术研究院（KIST）与庆北国立大学等机构的研究团队，从半导体三维封装技术中获得灵感，开发出一种可扩展的3D脑类器官阵列封装技术。该技术通过PDMS（聚二甲基硅氧烷）腔室与可拆卸亚克力定位板，将嵌入基质胶的脑类器官垂直堆叠，形成稳定的多层结构。这种设计有两大核心优势：一是开放的柱状架构优化了氧气和营养物质的扩散，解决了传统培养中核心区域坏死的问题；二是通过基质胶柱的物理连接，促进了类器官间的神经突触生长，增强了网络连通性。

图 1：3D脑类器官封装技术的概念和结构概述

研究结果显示，3D阵列技术在结构和功能上均展现出显著优势。结构分析表明，3D阵列中的类器官形成了密集的神经连接网络。免疫荧光染色和扫描电镜观察发现，TUJ1阳性的神经突起在类器官间形成连续桥梁，突触标志物PSD95和SYN1的表达证实了成熟突触的形成。与二维阵列相比，3D结构中的神经突起密度更高，垂直方向的延伸能力更强，为构建复杂神经网络奠定了结构基础。

图 2：脑类器官的制备、3D类器官阵列的构建及尺寸依赖性细胞活力评估

电生理记录结果进一步揭示了3D阵列的功能优越性。在培养22天后，3D类器官阵列的神经元放电频率比二维阵列提高了2.8倍，且这种提升并非简单的数量叠加，而是展现出协同增强效应。同步化分析显示，3D阵列中电极间的信号相关性显著更高，表明其神经网络的信息传递效率和整合能力更强。此外，延长培养时间可促进网络成熟，神经元活性随培养周期延长而持续增强，证明3D阵列能支持类器官的长期功能发育。

这项研究的突破性在于，它首次将半导体封装理念引入生物计算领域，为脑类器官的规模化应用提供了工程化解决方案。传统方法中，类器官的三维培养往往依赖自然生长，难以精确控制结构和连接；而该技术通过模块化设计，实现了类器官的精准定位和层间对齐，为构建可扩展的生物处理器提供了标准化平台。

图 3：单个类器官、2D类器官阵列和3D类器官阵列的功能对比分析

从生物计算的发展来看，3D类器官阵列技术有望推动多个领域的创新。在药物筛选方面，该技术可构建更接近人体生理环境的神经模型，提高候选药物的筛选效率；在神经疾病研究中，多层类器官阵列能模拟不同脑区的相互作用，为阿尔茨海默病等复杂疾病的机制研究提供新工具；而在生物计算领域，这种高连通性的神经阵列可能成为下一代低功耗智能系统的核心元件，在边缘计算、神经形态芯片等领域展现应用潜力。

当我们站在硅基计算与生物计算的交汇点，这项3D封装技术不仅是一次技术方法的革新，更是对生命系统工程化应用的探索。它证明了自然界的进化智慧与人类工程技术的融合可能，为突破当前计算技术的物理和能耗瓶颈提供了新方向。随着脑类器官培养与工程化技术的不断进步，我们或许正在见证一个新计算时代的黎明——一个以生命系统为模板，兼具高效能与高智能的生物计算时代。（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Kim JH, Kim M, Kim KT, et al. A scalable 3D packaging technique for brain organoid arrays toward high-capacity bioprocessors. Biosens Bioelectron. Published online June 17, 2025. doi:10.1016/j.bios.2025.117703