植入小鼠皮层的人脑类器官首次对视觉刺激做出反应

一组工程师和神经科学家首次证明，植入小鼠体内的人脑类器官已经与动物的皮层建立了功能连接，并对外部感官刺激做出反应。植入的类器官以与周围组织相同的方式对视觉刺激做出反应，由于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，研究人员能够在几个月内实时进行观察。

该团队由加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程系教员 Duygu Kuzum 领导，他们在12 月 26 日出版的《自然通讯》杂志上详细介绍了他们的发现。Kuzum 的团队与波士顿大学Anna Devor 实验室的研究人员合作;Alysson R. Muotri在加州大学圣地亚哥分校的实验室;和Fred H. Gage在索尔克研究所的实验室。

人类皮质类器官来源于人类诱导的多能干细胞，这些干细胞通常来源于皮肤细胞。这些大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有前途的模型。

但直到现在，还没有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特性并以相同的方式对刺激做出反应。这是因为用于记录大脑功能的技术是有限的，并且通常无法记录仅持续几毫秒的活动。

加州大学圣地亚哥分校领导的团队能够通过开发结合由透明石墨烯制成的微电极阵列和双光子成像的实验来解决这个问题，双光子成像是一种可以对厚度达一毫米的活组织成像的显微镜技术。

“没有其他研究能够同时进行光学和电学记录，”该论文的第一作者、博士麦迪逊威尔逊说。加州大学圣地亚哥分校 Kuzum 研究小组的学生。“我们的实验表明，视觉刺激会引起类器官的电生理反应，与周围皮层的反应相匹配。”

研究人员希望，这种用于研究类器官的创新神经记录技术组合将作为一个独特的平台，全面评估类器官作为大脑发育和疾病的模型，并研究它们作为神经假体以恢复丢失、退化或受损大脑区域功能的用途.

“这种实验装置为研究发育性脑病背后的人类神经网络水平功能障碍开辟了前所未有的机会，”Kuzum 说。

Kuzum 的实验室于 2014 年首次开发出透明石墨烯电极，此后一直在推进这项技术。研究人员使用铂纳米粒子将石墨烯电极的阻抗降低 100 倍，同时保持其透明。低阻抗石墨烯电极能够在宏观和单细胞水平上记录和成像神经元活动。

通过将这些电极阵列放置在移植类器官的顶部，研究人员能够实时记录来自植入类器官和周围宿主皮层的神经活动。使用双光子成像，他们还观察到小鼠血管长入类器官，为植入物提供必要的营养和氧气。

研究人员将视觉刺激——光学白光 LED——应用于植入了类器官的小鼠，同时小鼠处于双光子显微镜下。他们观察到类器官上方电极通道的电活动，表明类器官对刺激的反应与周围组织相同。电活动通过功能连接从植入类器官区域中最靠近视觉皮层的区域传播。此外，他们的低噪声透明石墨烯电极技术能够对类器官和周围小鼠皮层的尖峰活动进行电记录。石墨烯记录显示伽马振荡的功率增加和类器官尖峰的相位锁定到小鼠视觉皮层的减慢振荡。这些发现表明，类器官在植入三周后与周围皮质组织建立了突触连接，并从小鼠大脑接收功能输入。研究人员将这些慢性多模式实验持续了 11 周，并展示了植入的人脑类器官与宿主小鼠皮层的功能和形态整合。

接下来的步骤包括涉及神经系统疾病模型的更长时间的实验，以及在实验设置中结合钙成像以可视化类器官神经元中的尖峰活动。其他方法也可用于追踪类器官和小鼠皮层之间的轴突投射。

“我们设想，在未来，这种干细胞和神经记录技术的结合将用于在生理条件下模拟疾病;检查对患者特异性类器官的候选治疗;并评估类器官恢复特定丢失、退化或受损大脑区域的潜力，”Kuzum 说。

这项工作由国立卫生研究院和挪威研究委员会以及国家科学基金会资助。