携手健康网携手健康网

科学家开发出具有复杂神经活动的大脑类器官

加州大学洛杉矶分校 Eli and Edythe Broad 再生医学和干细胞研究中心的研究人员开发了大脑类器官——从人类干细胞中生长出来的 3D 类脑结构——显示出类似于活人大脑中发现的有组织的活动波。

然后,在研究源自神经系统疾病雷特综合征患者的干细胞生长的类器官时,科学家们能够观察到类似于癫痫发作的电活动模式,这是该病的标志。

今天发表在《自然神经科学》杂志上的这项研究拓宽了可以在类器官中研究的大脑状况列表,并进一步说明了这些基于人体细胞的模型在研究疾病的根本原因和测试潜在疗法方面的价值。

“这项工作表明,我们可以制造出类似于真实人脑组织的类器官,并可用于准确复制人脑功能和疾病的某些特征,”Broad 干细胞研究中心成员、该研究的资深作者 Bennett Novitch 说。学习。

在过去的十年中,研究人员发现了如何从人体中提取细胞,例如皮肤或血细胞,在实验室中诱导它们成为诱导多能干细胞或 iPS 细胞,然后引导这些细胞形成任何类型的在体内发现的细胞 - 包括神经元。科学家现在甚至可以鼓励 iPS 细胞聚集成 3D 形式,创造出看起来更像微型人体器官的类器官,而不是平皿中的细胞。

这一进展使科学家们能够研究一个人的细胞如何与正常人不同,并进行在活人中不可能进行的实验——操纵肾细​​胞的遗传学,或使用肺类器官来研究 COVID-19 如何感染并损害肺部,例如。

当涉及到人的大脑,但是,创建一个类器官模仿器官的结构复杂性特别具有挑战性。让细胞像在人脑中一样组织起来只是战斗的一部分。

这些细胞还必须相互连接,并像人脑中的神经元一样发挥作用。健康的人类脑细胞不仅会响应刺激而在整个大脑中发送电信号,而且还会产生称为神经振荡或脑电波的协调活动波。不同的脑电波模式与特定的活动(例如学习或睡眠)有关,而这些模式的异常可能是疾病的征兆。

“对于许多神经系统疾病,您可能会出现可怕的症状,但大脑看起来很好,”广泛干细胞研究中心的成员、该论文的第一作者 Ranmal Samarasinghe 博士说。“因此,为了能够寻找有关这些疾病的问题的答案,使用类器官不仅可以模拟大脑的结构,还可以模拟大脑的功能,这一点非常重要。”

加州大学洛杉矶分校智力和发育障碍研究中心的 Novitch、Samarasinghe 及其同事生产出一批源自健康人皮肤细胞的脑类器官后,使用两种不同的方法来研究它们内部的电活动模式——一种是将探针插入每个类器官测量大脑活动,另一个在显微镜下观察脑细胞的活动。

他们收集的一些信息类似于通常在称为脑电图或 EEG 的脑部扫描中发现的数据。分析显示了多种神经振荡。

“我没有预料到我们会看到振荡模式的范围,”同时兼任加州大学洛杉矶分校神经科学教授 Ethel Scheibel 的诺维奇说。“通过学习如何控制类器官表现出的振荡模式,我们可能最终能够模拟不同的大脑状态。”

接下来,该团队使用来自雷特综合征患者的细胞开发了大脑类器官,雷特综合征是一种与学习延迟、重复运动和癫痫发作相关的遗传疾病。虽然类器官在结构和组织上看起来正常,但它们的神经振荡却异常:它们缺乏非雷特类器官中表现出的各种振荡。相反,Rett 类器官具有快速、杂乱无章的活动,就像临床医生在 Rett 综合征和相关疾病患者的脑电图中看到的那样。

当 Novitch 和 Samarasinghe 用一种叫做 Pifithrin-alpha 的实验药物治疗 Rett 类器官时,与癫痫相关的活动模式消失了,类器官的神经活动变得更加正常。

使用类器官来研究脑部疾病仍将受到限制,因为类器官不能复制人脑的每个方面——例如,它们缺乏血管——而且它们类似于早期发育的大脑而不是成人的大脑。但加州大学洛杉矶分校的研究表明,它们仍然可以用于测试无法用培养皿中的脑细胞研究的各种大脑功能、疾病和药物。

“这是在大脑类器官中进行药物测试的第一个具体例子之一,”同时也是神经病学助理教授的 Samarasinghe 说。“我们希望它成为更好地了解人类大脑生物学和大脑疾病的垫脚石。”

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。