Nature：在培养皿中重建神经通路

斯坦福大学医学院的科学家们在实验室玻璃器皿中重建了从身体外围向大脑发送信息的神经通路，有望帮助研究疼痛障碍。

　　

斯坦福大学医学研究人员在实验室培养皿中复制了人类感知疼痛的最重要的神经通路之一。这种神经回路将身体皮肤的感觉传递给大脑。一旦在大脑中进一步处理，这些信号就会转化为我们的主观体验，包括不舒服的疼痛感。

在了解人类如何处理疼痛信号以及如何最好地减轻疼痛方面，这一进展有望加快进展。

在4月9日发表在《自然》杂志上的一项研究中，由医学博士Sergiu Pasca和精神病学和行为科学II教授Kenneth T. Norris Jr.领导的科学家们描述了他们成功地组装了人类神经系统的四个小型化部分，以重建所谓的上升感觉通路。

疼痛的外周感觉通过神经细胞或神经元的接力传递到大脑，这些神经细胞或神经元集中在上升感觉通路的四个不同区域：背根神经节、脊髓背、丘脑和体感皮层。

该研究的资深作者Pasca说：“我们现在可以无创地模拟这一途径。我们希望，这将帮助我们了解如何更好地治疗疼痛障碍。”

该研究的主要共同作者是博士后学者Ji-il Kim博士和Kent Imaizumi博士。

Pasca说，在实验动物身上研究人类的疼痛常常被证明是困难的。“它们的疼痛路径在某些方面与我们不同，然而，这些动物会感到疼痛。我们以培养皿为基础的结构却没有。”

到目前为止，还没有人能够观察到信息是如何通过这整个通路传输的。但Pasca和他的同事们目睹了从未见过的电活动波从他们构造的第一个组件一直传播到最后一个组件，他们能够通过基因改变或化学刺激电路元件来增强或破坏这些波状模式。

需要更好的药物

“疼痛是一个巨大的健康问题，”麻醉学、围手术期和疼痛医学副教授Vivianne Tawfik（没有参与这项研究）说：“大约1.16亿美国人——超过三分之一的美国人——正在忍受这样或那样的慢性疼痛。”这种疼痛经常持续，即使可观察到的损伤不再明显，可能是由于上升感觉通路的持续变化。

然而，治疗慢性疼痛的方法很少，而且远非理想，她说：“我甚至无法告诉你，当我们尝试了所有方法，但我们的武器库里什么也没有剩下时，坐在一个患有慢性疼痛的病人面前是多么悲伤。”

大多数“止痛药”本身并没有获得治疗疼痛的许可，而是从精神科医生或睡眠障碍专家的药柜里借来的。最有效的止痛药是阿片类药物，它有一个严重的缺点，就是容易形成习惯，让慢性疼痛患者容易上瘾。

一点一点地构建感觉通路

Tawfik说，她认为该团队的新结构与慢性疼痛的研究高度相关。“他们重建的通道是传递疼痛相关信息的最重要的通道，”她说。

构成上行感觉通路的区域由三组神经元连接：第一组神经元通过背根神经节将感觉信息从皮肤传递到脊髓；第二组神经元将信号从脊髓传递到一个叫做丘脑的大脑结构；第三个将信息从丘脑传递到体感皮层，以进一步处理来自外周的信号。

开创了他所谓的区域化神经类器官的创造，这种器官是用干细胞在实验室培养皿中培养出来的，代表着不同的大脑区域。

近年来，Pasca推动了这项技术的发展，将一种类型的类器官与另一种类型的类器官在一个培养皿中配对，使它们融合成他所谓的组合体。来自一个类器官的神经元，通过生长或迁移，可以穿透另一个类器官，形成功能类似甚至完全相同的工作回路。

Pasca说：“我们已经发现，我们不需要知道这些电路的组装细节，只要我们制造零件并正确地将它们组装在一起。一旦你把类器官放在一起，细胞就会找到彼此，并以一种有意义的方式连接起来，产生新的特征。”

在这项新研究中，Pasca和他的同事们开发了人类类器官，概括了上升感觉通路的四个关键区域，然后将它们串联在一起，形成一个模仿该通路的组装体。从志愿者的皮肤样本细胞开始，研究小组首先将其转化为诱导多能干细胞，这种细胞本质上是去分化的细胞，可以被引导成人体几乎任何类型的细胞。研究人员使用化学信号诱导这些细胞聚集成称为神经类器官的小球，代表通路的四个区域中的每一个。

每个类器官直径略小于1/10英寸，包含近一百万个细胞。

Pasca和他的同事们将这四种不同类型的类器官并排排列，然后等待。大约100天后，它们融合成一个近五分之二英寸长的组合体——“它们看起来像微小的香肠链”——由近400万个细胞组成。

Pasca指出，这还不到成年人大脑中细胞数量的1/ 42000，成年人大脑中含有大约1700亿个细胞。但这个结构再现了该通路中涉及的电路。

研究人员表明，这些组装体的组成类器官在解剖学上是相互连接的：第一个神经元与第二个神经元形成了工作连接，第二个神经元与第三个神经元形成了工作连接，以此类推。

此外，整个回路，从感觉类器官到皮质类器官，作为一个整体工作。当这四种类器官在烧瓶中并排放置约100天后，组装体中自发的、同步的、定向的信号模式开始出现：感觉类器官中的神经元活动触发了脊髓类器官中的类似活动，然后是丘脑类器官，最后是皮质类器官。

Pasca说：“如果你不能同时观察所有四个类器官的连接，你就永远无法看到这种波状同步。”“大脑不仅仅是各部分的总和。”

辣椒和钠通道

已知能引起疼痛的化学物质增加了组装体中的波状活动。用辣椒素刺激感觉类器官——辣椒中的一种成分，能在我们嘴里产生灼烧感——会立即触发神经元活动的波。

在周围感觉神经元表面发现的一种离子交换蛋白的罕见基因突变可能导致对疼痛的极度敏感，或者相反，危及生命的无法体验疼痛——从根本上增加了日常生活或其他生活提供的身体危险。

研究人员观察到，研究中的蛋白质Nav1.7是一种特殊类型的钠通道，它在周围感觉神经元上大量存在，但在其他地方却很少。科学家们制造了一种组装体，其最初的感觉成分Nav1.7的正常版本被突变的疼痛超敏版本所取代。由此产生的突变感觉组合体显示出更频繁的自发神经传递波，从感觉器官通过脊髓和丘脑类器官到大脑皮层类器官。

当Pasca的研究小组转而使感觉类器官中相同的钠通道失去功能时，他们得到了一个惊喜：类器官对一种引起疼痛的化学物质的反应仍在继续——但疼痛信息通过电路的同步波状传输却神秘地消失了。射击现在不同步了。

“感觉神经元仍然在放电，”Pasca说。“但他们未能以协调的方式与网络的其他部分接触。”

重要的是，在这些组装体中缺失的是代表大脑其他区域的类器官，这些区域对处于疼痛中的人所经历的不适至关重要。

Pasca说：“组装体本身不会‘感觉到’任何疼痛。它们传递神经信号，这些信号需要由我们大脑中的其他中枢进一步处理，才能让我们体验到不愉快、令人厌恶的疼痛感。”

他说，经过几个月的组装，这些组合体代表了胎儿发育的早期阶段。它们的直接用途将是研究神经发育障碍，如自闭症。自闭症患者通常对疼痛和一般的感觉刺激非常敏感，一些与自闭症相关的基因在上行感觉通路的感觉神经元中很活跃。

Pasca说，他的实验室正在研究加速这些组装体的发展的方法，以便更好地了解它们所代表的途径是如何在成人中起作用或不起作用的。

“Nav1.7似乎主要存在于周围痛觉神经元的表面，”Pasca说。“我们认为，筛选能够抑制感觉类器官通过我们的组装体触发过度或不适当的神经元传递波的能力的药物，而不会像阿片类药物那样影响大脑的奖励回路——这就是为什么它们会上瘾——可能会导致更好的靶向治疗疼痛。”

斯坦福大学的技术许可办公室已经申请了与该组件相关的知识产权专利，Pasca， Kim和Imaizumi被命名为共同发明者。

Nature：Human assembloid model of the ascending neural sensory pathway