植入老鼠的“人腦”有視覺反應

　　近日，美國加州大學圣地亞哥分校和波士頓大學的研究團隊首次證明，植入老鼠體內的人腦類器官已經與動物皮層建立了功能性連接，并對外部感官刺激做出了反應。他們通過結合透明石墨烯微電極陣列和雙光子成像的創新實驗裝置發現，植入的類器官對視覺刺激的反應與周圍組織的反應相同。相關研究結果發表于《自然—通訊》。

　　人皮質類器官來源于人誘導多能干細胞，這些干細胞通常來源于皮膚細胞。最近，腦類器官成為研究人類大腦發育以及一系列神經系統疾病的有前途的模型。

　　目前為止，還沒有研究團隊能夠證明，植入老鼠皮層的人腦類器官能夠具有相同的功能特性，并以相同的方式對刺激做出反應。這是因為用于記錄大腦功能的技術是有限的，通常這些技術無法記錄僅持續幾毫秒的活動。

　　加州大學圣地亞哥分校電氣與計算機工程系教員Duygu Kuzum團隊通過開發結合透明石墨烯制成的微電極陣列和雙光子成像的創新實驗裝置解決了這個問題。雙光子成像是一種顯微鏡技術，可以對厚度達一毫米的活組織成像。他們通過實驗表明，視覺刺激會引起類器官的電生理反應，與周圍皮層的反應相匹配。

　　研究人員稱，其他同類研究無法實現同時用光學和電子方式記錄。他們希望，這種創新神經記錄技術可以作為一個獨特的平臺，全面評估類器官作為大腦發育和神經系統疾病的模型，并研究它們作為神經假肢的用途，以恢復失去、退化或受損大腦區域的功能。

　　Kuzum表示：“這個實驗裝置為研究發育性腦疾病背后的人類神經網絡水平功能障礙提供了前所未有的機會。”

　　Kuzum的實驗室在2014年首次開發了透明石墨烯電極，并從那時起一直在推進這項技術。研究人員使用鉑納米顆粒將石墨烯電極的阻抗降低了100倍，同時保持電極透明。低阻抗石墨烯電極能夠在宏觀尺度和單細胞水平上記錄和成像神經元活動。

　　通過將這些電極陣列放置在移植的類器官上，研究人員能夠實時記錄來自植入的類器官和周圍宿主皮層的神經活動。利用雙光子成像，他們還觀察到老鼠的血管長成了類器官，為植入物提供必要的營養和氧氣。

　　研究人員對植入類器官的老鼠施加視覺刺激（一種光學白光LED），同時將老鼠置于雙光子顯微鏡下。他們觀察到類器官上方電極通道中的電活動，表明類器官與周圍組織對刺激的反應相同。電活動通過功能連接從植入類器官區最接近視覺皮層的區域傳播。此外，低噪聲透明石墨烯電極技術能夠電記錄類器官和周圍老鼠皮層的峰值活動。石墨烯記錄顯示伽馬振蕩的功率增加，從類器官到老鼠視覺皮層慢振蕩的峰值相位鎖定。

　　這些發現表明，類器官在植入后三周就與周圍的皮層組織建立了突觸連接，并接受了來自老鼠大腦的功能輸入。研究人員將這些慢性多模態實驗持續了11周，并顯示了植入的人腦類器官與宿主老鼠皮層的功能和形態整合。

　　研究人員表示，接下來他們的實驗將涉及神經疾病模型，以及在實驗設置中結合鈣成像，以可視化類器官神經元的峰值活動。其他方法也可以用來追蹤類器官和老鼠皮層之間的軸突投影。

　　“我們設想，在未來的道路上，干細胞和神經記錄技術的結合將被用于生理條件下的疾病建模，檢查患者特異性類器官的候選治療方法，以及評估類器官恢復特定丟失、退化或受損大腦區域的潛力。”Kuzum說。