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一個14英尺的鋁合金機器人以每小時13,000英里的速度在漆黑的太空中穿梭。在3.5億英里的旅程中，它搭載的用於探測X射線和分析礦物質的科學儀器處於隔離狀態，定期向飛船的母星傳送訊號。發射八個月後，飛船接近目的地，遠處的紅色光點逐漸變成一個逼近的行星：火星。為了成功著陸，耗資25億美元的美國宇航局“好奇號”火星探測器必須將其巡航速度降至0.01%，保護自身免受高溫影響，在異域星球的大氣層中調整方向，啟動火箭揹包，並像一個機器人版的“碟中諜”一樣用空中吊車著陸。儘管沒有人到過地球以外的月球，但每一個操作都經過精心計算和精確執行。在埃隆·馬斯克的火星夢想成為現實之前，火箭科學家將繼續依靠模擬來成功理解和操作他們自己永遠無法到達的環境。
在生物學中也採用了類似的途徑。人體有7500多個已命名的部分和60多個器官。其中大多數都在活體深處，超出了監測和現代高解析度成像的範圍。目前對細胞微環境的觀察和後續理解是有限的——我們還不能將跟蹤奈米機器人放入血液中，或者透過頭骨和大腦成像來測量內部精確的化學變化。那麼，我們如何理解維持生物體生存或驅動器官患病的分子系統呢？
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一個有希望的解決方案在於工程學和生物學的交叉點：微流體技術。透過使用經典生物培養皿的微型定製混合物，研究人員可以模擬體內發現的條件，並控制特定變數，如酶變化或生長因子的存在。正如美國宇航局利用火星模擬成功建模並實際降落了“好奇號”火星探測器一樣，研究人員也開始複製體內和體外場景，以研究包括腫瘤生長和擴散在內的異常情況。研究人員現在可以直接觀察到癌組織的小塊脫落，在血液中遷移，並在毛細血管中定居。他們甚至可以在不危及生命的情況下測試不同藥物對這些癌症的療效。
癌症只是開始。麻省理工學院的羅傑·卡姆預計，未來我們可以從患者自身的細胞中培養和模擬器官，以測試他或她對不同藥物的反應。微流體技術現在也被應用於神經科學。它被用來研究發育階段，並解讀化學和物理過程中的變化如何導致神經元的生長或退縮。以研究充分的神經肌肉接頭為例。這些興奮性突觸使您可以隨意移動身體，並且存在於脊髓運動神經元和骨骼肌纖維之間。華盛頓大學的阿爾伯特·福爾奇指出，雖然“導致突觸發生的分子訊號序列在質量上是眾所周知的，但對於所涉及的各種神經化學訊號的數量（濃度、持續時間、起始時間等）知之甚少。”微流體技術正在改變這一點，它打開了通往控制行為核心功能的細胞微環境的視窗。科學家們能夠使用這樣的電路來測試神經元計算，並構建由活細胞組成的邏輯閘。
基礎知識促進了創造性的應用。微流體技術研究人員最近開始開發生物機器人，這是一種將柔性框架與活的肌肉細胞相結合的混合機器人。卡姆預計未來的生物機器人將配備神經元感官系統，並可能有一天被用於各種案例，例如被派往石油洩漏後尋找和吸收化學汙染物。
下週請繼續關注麻省理工神經科技，它將探索人類有史以來最高解析度的神經元圖譜。
編者注：這是關於新興神經技術系列的第三部分。加入麻省理工學院的12名博士生試點班，我們將探索神經科學如何徹底改變我們對大腦的理解。每篇文章都與麻省理工學院神經生物工程中心建立的講座和實驗室參觀相吻合。該實驗由MITx支援，由EyeWire建立。