神经细胞创伤回缩的实验和模拟研究

This project aims to address several outstanding issues in the mechanics study of neural cells , namely, how to quantitatively characterize the traumatic retraction response of neural cells, as well as elucidate the roles of cell-substrate adhesion and cytoskeleton in this process. Both theoretical and experimental investigations, with simulation as a supplement, will be carried out to achieve these goals. Specifically, protocols will be developed to quantitatively characterize the injury-induced retraction of neurons by transecting well-developed axons with a sharp atomic force microscope (AFM) probe while, simultaneously, monitoring the evolution of cell-substrate adhesion and cytoskeleton dynamics with a total internal reflection fluorescence microscope (TIRFM). The method will then be used to systematically measure the retraction response of neurons under different conditions. Data to be generated here in conjunction with subsequent theoretical modeling, taking into account realistic features that were neglected in previous studies, will allow us to reveal the physical mechanisms behind. The scientific issues are raised at the interface between traditional solid mechanics and rapidly advancing biological science. This study could provide theoretical guidance and methodological support for the development of future neuroengineering and treatment/recovery strategies for brain injury.

该项目旨在解决几个在神经细胞力学和神经生物材料研究中的核心问题，即如何定量表征神经细胞的创伤回缩响应以及揭示细胞-基质黏附和细胞骨架力学特性在此过程中的作用。我们拟采用以实验研究为主，结合必要的理论建模及数值模拟来实现这些目标。具体而言，我们将建立通过用锋利的原子力显微镜探针将神经轴突横切的方法来触发细胞的创伤回缩。同时，运用全内反射荧光显微镜来监测在此过程中细胞黏附以及细胞骨架的演化。所得到的实验数据将同随后的理论模拟相结合以揭示神经细胞创伤回缩的力学机制以及回答此前类似研究中所忽略的一系列重要问题。作为传统固体力学与生物学科交叉产生的科学问题，本项研究的创新之处在于从神经轴突的微观结构出发，通过上述一系列的实验和理论研究来揭示各种相互耦合的因素对其创伤响应以及相关力学和生物性能的调控从而为神经工程和未来脑损伤治疗/康复策略的发展提供完整的理论指导和方法支持。

本项目解决了几个在神经细胞力学和神经生物材料研究中的核心问题，即如何定量表征神经细胞的创伤回缩响应以及揭示细胞-基质黏附和细胞骨架力学特性在此过程中的作用。具体而言，我们（1）建立了利用锋利的原子力显微镜探针将神经轴突横切来触发其创伤回缩的方法；（2）运用全内反射荧光显微镜来监测在此过程中细胞黏附以及细胞骨架的演化；（3）建立了包含神经轴变形、细胞-基底黏附、细胞膜失稳等过程的力学模型来描述神经细胞的回缩创伤响应，并进行了实验验证；（4） 观测了神经细胞在不同黏附强度、细胞骨架结构以及病理状态下的创伤响应。发现轴突的创伤回缩可以通过牢固的细胞-基质黏附来阻止。此外，对细胞骨架或细胞黏附的破坏显着地改变了损伤神经细胞的响应。作为传统固体力学与生物学科交叉产生的科学问题，本项研究的创新之处在于从神经细胞的微观结构出发，通过上述一系列的实验和理论研究来揭示各种相互耦合的因素对其创伤响应以及相关力学和生物性能的调控从而为神经工程和未来脑损伤治疗/康复策略的发展提供完整的理论指导和方法支持。