Nature子刊：科学家开发具有复杂神经活动的脑器官

　　

   

   

图像:一个微型脑器官的显微镜图像，显示分层的神经组织和不同类型的神经细胞。

来源:加州大学洛杉矶分校布罗德干细胞研究中心/自然神经科学

加州大学洛杉矶分校再生医学和干细胞研究中心的研究人员开发出了大脑类器官——由人类干细胞生长而成的3D类大脑结构——显示出与活体大脑相似的有组织的活动波。

然后，在研究从神经紊乱的雷特综合症患者的干细胞中培养的器官时，科学家们能够观察到类似癫痫的电活动模式，这是该疾病的一个特征。

发表在Nature Neuroscience杂志上的这项研究，扩大了可以在类器官中研究的大脑状况，并进一步说明了这些基于人类细胞的模型在调查疾病的潜在原因和测试潜在疗法方面的价值。

布罗德干细胞研究中心(Broad Stem Cell Research Center)成员、该研究的资深作者贝内特·诺维奇(Bennett Novitch)说:“这项工作证明，我们可以制造出类似真实人类脑组织的类器官，可以用来准确复制人类大脑功能和疾病的某些特征。”

在过去的十年中,研究人员发现如何从一个人的身体细胞,如皮肤或血液细胞,诱导在实验室成为诱导多能干细胞,这些细胞或“诱导多能性”细胞,然后直接形成体内发现的任何类型的细胞,包括神经元。科学家们现在甚至可以鼓励诱导多能干细胞聚集成三维形态，创造出看起来更像微型人体器官而不是扁平培养皿中的细胞的类器官。

这一进展使科学家能够研究一个人的细胞如何与正常细胞不同，并进行在活人身上不可能进行的实验——例如，操纵肾细胞的基因，或使用肺类器官来研究COVID-19如何感染和损害肺部。

然而，对于人类大脑来说，创造一种能够模仿大脑结构复杂性的器官尤其具有挑战性。让细胞像人类大脑一样组织起来只是战斗的一部分。

这些细胞还必须相互连接，并像人类大脑中的神经元一样发挥作用。健康的人类脑细胞不仅在大脑中对刺激作出反应时发送电子信号，而且还具有被称为神经振荡或脑电波的协调活动波。脑电波的不同模式与特定的活动——例如学习或睡眠——有关，而这些模式的异常可能是疾病的征兆。

布罗德干细胞研究中心(Broad Stem Cell Research Center)成员、这篇论文的第一作者兰马尔·萨马拉辛哈(Ranmal Samarasinghe)博士说，“对于许多神经系统疾病，你可能会有可怕的症状，但大脑的生理状况看起来很好。”“因此，为了能够寻找有关这些疾病的答案，我们不仅可以模拟大脑的结构，还可以模拟大脑的功能，这一点非常重要。”

在从健康人的皮肤细胞中提取出一批大脑器官后，诺维奇、萨马拉辛格和加州大学洛杉矶分校智力和发育障碍研究中心的同事们使用了两种不同的方法来研究他们体内的电活动模式其中一种方法是在每个器官中插入一个探针来测量大脑活动，另一种方法是在显微镜下观察脑细胞的活动。

他们收集的一些信息与科学家通常在被称为脑电图(electroencephalograms，简称EEGs)的大脑扫描中发现的数据类似。分析显示有多种神经振荡。

“我没有预料到我们会看到的振荡模式的范围，”诺维奇说，他也是加州大学洛杉矶分校的神经科学教授埃塞尔·沙伊贝尔。“通过学习如何控制一个类器官表现出的振荡模式，我们可能最终能够模拟不同的大脑状态。”

接下来，该团队利用雷特综合症患者的细胞开发了大脑器官。雷特综合症是一种与学习迟缓、重复动作和癫痫相关的遗传疾病。虽然类器官在结构和组织上表现正常，但它们的神经振荡是异常的:它们缺乏非rett类器官中显示的各种振荡。相反，Rett类器官有快速、紊乱的活动，就像临床医生在Rett综合征和相关疾病患者的脑电图中看到的那样。

当Novitch和Samarasinghe用一种叫做Pifithrin-alpha的实验药物治疗Rett的类器官时，癫痫相关的活动模式消失了，类器官的神经活动变得更加正常。

使用类器官来研究大脑疾病仍然有限，因为类器官不能复制人类大脑的每个方面——例如，它们缺乏血管——而且它们更像早期发育的大脑，而不是成年的大脑。但加州大学洛杉矶分校的研究表明，尽管如此，它们仍可用于测试广泛的大脑功能、疾病和药物，而这些无法用皮氏培养皿中的脑细胞进行研究。

同时也是神经学助理教授的Samarasinghe说:“这是药物测试在大脑器官中起作用的第一个实际例子。”“我们希望它能成为更好地理解人类大脑生物学和大脑疾病的垫脚石。”

原文检索：

Identification of neural oscillations and epileptiform changes in human brain organoids

DOI10.1038 / s41593 - 021 - 00906 - 5