Nat Commun：天津大学李晓红团队研究构建了脑损伤后神经功能修复的类器官脑机接口

受损神经回路的重建对于脑损伤后的神经修复至关重要。经典的脑机接口（BCI）允许大脑和外部控制器之间的直接通信，以补偿失去的功能。重要的是，广义脑机接口将信息输入大脑以恢复损伤的潜力越来越大，但当造成大的损伤腔时，它们的有效性是有限的。值得注意的是，可以通过将脑类器官移植到受损区域来克服。

2024年11月6日，天津大学李晓红团队在Nature Communications 在线发表题为“Constructing organoid-brain-computer interfaces for neurofunctional repair after brain injury”的研究论文，该研究构建了由可植入类器官介导的创新脑机接口，称为类器官脑机接口（OBCI）。

研究评估OBCI的长期安全性和可行性，并探索神经调节策略。OBCI刺激促进移植物的渐进分化，增强类器官和宿主大脑内的结构功能连接，有望通过再生和调节修复受损的大脑，潜在地将神经元引导到预选的靶点，并在未来恢复功能神经网络。

脑损伤带来了巨大的社会经济负担，严重影响了患者的生活质量。手术、药物和康复在恢复受损功能方面往往受到限制。经典的脑机接口（BCI）允许大脑和外部计算机之间直接通信，允许用户拼写单词、移动光标和控制轮椅或机器人手臂。值得注意的是，开发将信息输入大脑的脑机接口的潜力越来越大，例如深部脑刺激（DBS）或经颅电刺激（TES），以调节脑损伤。用于信号记录和刺激的神经接口（电极）在脑机接口中至关重要。据报道，通过神经接口的电刺激可以促进神经干细胞（NSCs）的分化或成熟，调节神经组织的可塑性，进一步再生受损的脑组织。脑损伤会导致神经细胞大量损失，特别是在形成大空腔时，这限制了可植入电极在没有健康细胞替代的情况下正常工作。因此，有必要构建由替代细胞介导的创新BCI来修复脑损伤。

脑类器官是一种在体外培养的三维（3D）神经组织，可以模拟人脑的神经发生、神经元迁移、皮质分层和神经回路。当植入宿主的感觉、运动和视觉皮层时，类器官表现出强大的存活能力、渐进分化和向宿主大脑的广泛轴突生长，从而部分参与宿主的神经活动。然而，类器官移植仍然存在不可忽视的问题。未成熟的类器官含有大量的心室区（VZ）细胞，可能会在宿主大脑中造成过度生长的风险。此外，从移植物到宿主大脑的传出投射是自发的，没有解剖学目标，限制了移植物和宿主之间靶向神经回路的重建。考虑到神经刺激可以促进神经分化，引导细胞迁移和轴突伸长方向，可以合理地假设体内刺激可以促进移植类器官的发育，促进其向宿主大脑的投射，最终旨在恢复功能性神经网络。

基于类器官电极复合物探索了受激参数（图源自Nature Communications ）

脑机接口和类器官移植是恢复神经功能的两种不同策略。研究表明，对移植细胞进行电刺激可以促进细胞再生和轴突原位发芽。此外，刺激增强了受损区域周围神经元的可塑性，并引导了移植细胞的靶向迁移。有研究首次引入了一种可植入的电细胞混合装置，该装置已被证明可以促进细胞与脑组织的功能整合，增强移植物和现有神经回路内的突触连接，并减少瘢痕组织的形成。此外，有研究开发了一种用于递送NSCs和电调节的导电聚合物系统，证明刺激NSC移植比单独进行电调节或NSC移植治疗更能改善中风后的大脑恢复。然而，类器官脑机接口（OBCI）与整合到宿主组织中的类器官的可植入神经接口，尽管提供了创新的治疗机会，但仍然是一个很大程度上未被探索的概念。

近年来，刚性电极已被植入移植的类器官中，以敏锐地检测移植物或宿主大脑的电活动，从而评估移植物和宿主大脑之间的神经连接。然而，通过可植入神经接口对移植物发育的调节在很大程度上仍未得到探索。值得注意的是，柔性电极具有适当的机械性能和优异的生物相容性，在保持记录的神经信号的长期质量和建立稳定的电极-神经元界面方面优于刚性电极。因此，研究构建了创新的OBCI，将移植类器官的优点与神经调节相结合，以修复脑损伤。首先，评估了OBCI系统的长期安全性和可行性，并探索了调节类器官移植物的方案。早期调节后，移植物的渐进分化和成熟得到增强。此外，在后期调节后，移植物和宿主大脑之间形成了结构功能连接，显示出突触连接的增加，最终促进了宿主受损功能的修复。未来，OBCI可以与闭环系统集成，以创建双向BCI框架，该框架有可能重建宿主大脑内的特定神经功能回路。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-53858-2