用干细胞复制人脑,产生“脑电波”!新技术为治疗脑疾病迈进一步

2021-08-25 08:55:30 道赛尔生物 357

近日,加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员在《自然》旗下子刊Nature Neuroscience上展示了通过人类干细胞培养的大脑类器官,为影响大脑功能的神经系统疾病提供了有力的研究工具。


这些类似真实人脑的三维组织具有与真正人脑相似的复杂神经活动,还可以重现某些大脑疾病标志性的神经电活动模式。论文通讯作者、神经科学家Bennett Novitch教授指出:“这项研究表明,我们可以制造出与真实人脑组织相类似的器官,并用于准确复制人脑功能和疾病的某些特征。”



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过去十多里,科学家们已经掌握了方法从人体中取出皮肤或血细胞,诱导它们成为多能干细胞(iPSC),然后引导这些细胞向任何一种类型的人体细胞转变,包括神经元。在一定的培养条件下,这些由干细胞衍生的细胞可以进一步聚集成团,模拟出人体器官的细胞组成和特性,形成所谓的“类器官”,就像微型人体器官一样。


不过,模拟人脑的挑战特别巨大。除了结构复杂之外,细胞之间还必须相互连接,具备发放电信号的功能,就像大脑中真正的神经元那样。

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▲显微镜下的大脑类器官显示出分层的组织结构和不同类型的细胞(图片来源:参考资料[1];Credit:UCLA Broad Stem Cell Research Center/Nature Neuroscience)


而且,健康的人脑细胞在响应刺激时不仅会发放电信号,还会产生神经振荡,也就是由神经元群体同步发放形成的脑电波。不同的脑电波模式对应于特定的活动,比如学习或睡眠。脑电波活动模式的异常则可能是某些神经疾病的征兆,这些神经疾病给患者带来了巨大的痛苦,从大脑外观结构上看却几乎是正常的。


大脑类器官是否具有足够的神经网络复杂性来模拟出这些功能?在这项研究中,科学家们给出了回答。


用健康人的皮肤细胞培养出大脑类器官后,研究人员使用探针进行了细胞外记录,并通过钙成像技术检测了神经细胞的电活动,由此收集到的数据类似于通过脑电图(EEG)得到的信息。从分析结果中,研究人员观察到了一系列神经振荡。“一旦知道如何控制这些大脑类器官出现何种神经振荡模式,我们或许最终就能模拟出不同的大脑状态。”Novitch教授说。


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▲该研究通讯作者Bennett Novitch教授(图片来源:UCLA)


接着,研究小组利用了来自Rett综合征患者的细胞开发了大脑类器官。Rett综合征是一种基因突变引起的神经发育障碍,患者的大脑功能受到影响,有智力迟缓、刻板动作以及癫痫发作等表现。他们的神经振荡出现异常,显示出快速、混动的脑电波。


而研究人员用来自Rett综合征患者的诱导多能干细胞,进一步培养出大脑类器官后,同样观察到了高度异常的神经振荡,以及癫痫样活动。


研究人员给这些模拟Rett综合征的大脑类器官施加了一种实验性的治疗药物pifithrin-alpha,发现可以使类器官的神经活动趋于正常,癫痫相关的活动模式消失。“这是在大脑类器官中测试药物的第一个具体例子。”论文第一作者Ranmal A. Samarasinghe教授说,“我们希望以此为基础,更深入地理解人类大脑的生物学和大脑疾病。”


参考资料:

[1] Scientists develop brain organoids with complex neural activity. Retrieved Aug. 24, 2021 from https://newsroom.ucla.edu/releases/brain-organoids-complex-neural-activity


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