首次证实，人脑类器官植入小鼠大脑后可建立功能连接，并对外部刺激做出反应
2023-01-02 生物世界 生物世界 发表于上海
这项研究将透明石墨烯制成的微电极阵列和双光子成像技术相结合，从而能够在宏观和单细胞水平记录和成像神经元活动。
人的智慧，源于大脑。记忆、语言和情绪等复杂的生理现象均源自于大脑的一系列电生理活动，作为意识的载体，大脑让人类得以认知世界，并对外界的诸事诸物做出即时性的判断和反应。
毫无疑问，大脑是人体最复杂的器官。但直至现在，人类对自身大脑的行为模式的认知仍极为有限。
近日，美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员在 Nature Communications 期刊发表了题为：Multimodal monitoring of human cortical organoids implanted in mice reveal functional connection with visual cortex 的研究论文。
该研究首次证明，植入小鼠体内的人脑类器官与小鼠大脑皮层建立了功能连接，并对外部感觉刺激做出了反应。植入的人脑类器官对视觉刺激的反应与周围组织一样，研究人员能够在几个月的时间里实时观察到这一点，而这归功于一种结合了透明石墨烯微电极阵列和双光子成像的创新实验装置。
人脑皮质类器官来源于诱导多能干细胞（iPSC），而诱导多能干细胞通常来源于皮肤细胞。这些脑类器官最近成为研究人类大脑发育以及一系列神经系统疾病的很有前景的模型。但到目前为止，还没有一个研究团队能够证明，植入小鼠皮层的人脑类器官能够共享相同的功能属性，并以相同的方式对刺激做出反应。
这是因为当前用于记录大脑功能的技术十分有限，通常无法记录仅持续几毫秒的大脑活动。如今，加州大学圣地亚哥分校 Duygu Kuzum 教授团队通过开发将透明石墨烯制成的微电极阵列和双光子成像（一种可以成像1毫米厚度的活体组织的显微镜技术）相结合的技术，成功解决了这个难题。
Duygu Kuzum 教授团队在2014年首次开发了透明石墨烯电极，并从那时起一直在推进这项技术。研究团队使用铂纳米颗粒将石墨烯电极的阻抗降低100倍，同时保持其透明特性，低阻抗石墨烯电极能够在宏观和单细胞水平记录和成像神经元活动。
通过在移植的类器官上放置一个这样的电极阵列，研究团队能够记录来自植入的类器官和周围宿主皮层的实时神经活动。通过双光子成像，他们还观察到小鼠血管生长到类器官植入物中，为其提供必要的营养和氧气。
人脑皮质类器官的生成与微电极阵列在小鼠皮层的共植入
不仅如此，研究团队还将一种用于视觉刺激的白光LED应用到植入类器官的小鼠身上，同时对小鼠进行双光子显微镜检查。他们观察到类器官上电极通道的电活动，表明类器官对刺激的反应与周围的宿主皮质组织相同。电生理活动通过功能连接从植入的类器官区最接近视觉皮层的区域传播。
视觉刺激诱发的人脑皮质类器官和宿主皮质的局部场电位记录
此外，这种透明石墨烯电极技术能够记录类器官和周围小鼠皮层的电尖峰信号，石墨烯记录显示伽马振荡的功率增加，以及从类器官到小鼠视觉皮层的缓慢振荡的尖峰相位锁定。这些发现表明，类器官在植入三周后就与周围的皮层组织建立了突触连接，并接受了来自小鼠大脑的功能输入。
人脑皮质类器官和宿主皮质的多单元活动
研究团队将这项实验持续了11周，并显示了植入的人大脑皮质类器官与宿主小鼠大脑皮层的功能和形态整合。研究团队接下来计划进行更多的实验，涉及神经疾病模型，以及在实验设置中结合钙成像，以可视化类器官神经元的峰值活动。这些方法也可以用来追踪类器官和小鼠皮层之间的轴突投影。
Duygu Kuzum 教授表示，在后续研究中，干细胞和神经记录技术的结合将被用于生理条件下的疾病建模，检查患者特异性类器官的候选治疗方法，以及评估类器官在恢复特定功能缺失、退化或受损大脑区域的潜力。
人脑皮质类器官血管化的体内成像和死后免疫组化分析
总而言之，这项研究将透明石墨烯制成的微电极阵列和双光子成像技术相结合，从而能够在宏观和单细胞水平记录和成像神经元活动。这项技术表明，由iPSC生成的人大脑皮质类器官在植入小鼠大脑后能与周围的宿主皮层组织建立突触连接，并接受了来自小鼠大脑的视觉刺激输入，产生相应的电生理反应。
这种创新的神经记录技术将为研究大脑类器官创造了一个独特的平台，为研究人类神经网络层面的功能障碍，并研究将大脑皮质类器官作为神经修复物来恢复功能缺失、退化或受损的大脑区域的功能提供了前所未有的机会。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35536-3
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