《Nature》研究大脑连接、功能的方法

　　

科学家们已经开发出一种研究方法，可以对与一些神经和精神障碍有关的大脑过程进行更详细的检查。这是通过在培养中培养人类皮质类器官，并将其插入发育中的啮齿动物大脑中，观察它们如何随着时间的推移整合和功能来实现的。这项研究由国家卫生研究院下属的国家精神卫生研究所(NIMH)资助，发表在《Nature》杂志上。

“这项工作为科学家研究复杂人类大脑疾病的细胞和电路基础的能力提供了重大进展。它允许类器官在更生物相关的环境中‘连接’，并以它们在培养皿中无法做到的方式发挥作用，”NIMH神经科学和基础行为科学部发育和基因组神经科学研究分支主任David Panchision博士说。

加州斯坦福大学医学博士Sergiu Pasca及其同事证明，从人类干细胞培养的皮质类器官可以移植到发育中的大鼠大脑中，并与之整合，以研究某些发育和功能过程。研究结果表明，移植的类器官可能为研究与疾病发展相关的过程提供一个强有力的工具。

研究人员有时使用皮质类器官——人类干细胞的三维培养，可以反映典型大脑中的一些发育过程——作为研究人脑某些方面的发育和功能的模型。然而，皮质类器官缺乏典型人类大脑的连通性，限制了它们在理解复杂大脑过程中的作用。研究人员一直试图通过将单个人类神经元移植到成年啮齿动物的大脑中来克服这些限制。虽然这些移植的神经元与啮齿动物的脑细胞相连，但由于成年大鼠大脑的发育限制，它们并没有完全融合在一起。

在这项研究中，研究团队通过将一个完整的人类皮质类器官移植到发育中的大鼠大脑中，推进了大脑类器官的使用。这项技术创造了一个可以检查和操作的人体组织单元。研究人员使用了Pașca实验室之前率先采用的方法，利用人类诱导的多能干细胞——从成人皮肤细胞中提取的细胞，经过重新编程进入了不成熟的干细胞样状态——创造出皮质类器官。然后，他们将这些类器官植入大鼠的初级体感皮层，这是大脑中与处理感觉有关的部分。

在接受器官移植的大鼠中，研究人员没有检测到任何运动或记忆异常或大脑活动异常。来自大鼠大脑的血管成功地支撑了植入的组织，并随着时间的推移而生长。

为了了解类器官在多大程度上可以融入大鼠的体感皮层，研究人员用一种病毒示踪剂感染了皮质类器官，这种病毒示踪剂作为功能连接的指示器在脑细胞中传播。在将标记的类器官移植到大鼠的初级体感皮层后，研究人员在大脑的多个区域，如腹基核和体感皮层，检测到病毒示踪剂。此外，研究人员还观察到丘脑和移植区域之间的新联系。通过电刺激和刺激大鼠的胡须，这些连接被激活，表明它们正在接收有意义的感官输入。此外，研究人员能够激活移植器官中的人类神经元，以调节大鼠寻求奖励的行为。研究结果表明，移植的类器官功能整合到特定的大脑通路。

在生长7到8个月后，移植的脑类器官在结构和功能上比在细胞培养中保持的人脑类器官更类似于人脑组织中的神经元。移植的类器官反映了人类皮质神经元的结构和功能特征，这一事实使研究人员怀疑他们是否可以使用移植的类器官来检查人类疾病过程的各个方面。

Pașca博士说:“这个平台的前景不仅在于确定是什么分子过程导致了活体电路中人类神经元的高度成熟，并利用它来改进传统的体外模型，还在于为人类神经元提供行为读数。”

为了验证这一点，研究人员用三名患有罕见遗传疾病(与自闭症和癫痫相关)的参与者和三名没有任何已知疾病的参与者的细胞生成了皮质类器官，并将它们植入大鼠的大脑。两种类型的类器官都融入了大鼠的体感觉皮层，但来自蒂莫西综合征患者的类器官表现出结构上的差异。从蒂莫西综合症患者的细胞中产生的类器官在细胞培养中并没有出现这些结构上的差异。

“这些实验表明，这种新方法可以捕捉到现有体外模型无法检测到的过程，”Pașca博士说。“这很重要，因为许多导致精神疾病的变化很可能是神经回路水平上的微妙差异。”

Omer Revah, Felicity Gore, Kevin W. Kelley, Jimena Andersen, Noriaki Sakai, Xiaoyu Chen, Min-Yin Li, Fikri Birey, Xiao Yang, Nay L. Saw, Samuel W. Baker, Neal D. Amin, Shravanti Kulkarni, Rachana Mudipalli, Bianxiao Cui, Seiji Nishino, Gerald A. Grant, Juliet K. Knowles, Mehrdad Shamloo, John R. Huguenard, Karl Deisseroth, Sergiu P. Pașca. Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids. Nature, 2022; 610 (7931): 319