人的智慧，源于大腦。記憶、語言和情緒等復雜的生理現(xiàn)象均源自于大腦的一系列電生理活動，作為意識的載體，大腦讓人類得以認知世界，并對外界的諸事諸物做出即時性的判斷和反應。

毫無疑問，大腦是人體最復雜的器官。但直至現(xiàn)在，人類對自身大腦的行為模式的認知仍極為有限。

近日，美國加州大學圣地亞哥分校的研究人員在 Nature Communications 期刊發(fā)表了題為：Multimodal monitoring of human cortical organoids implanted in mice reveal functional connection with visual cortex 的研究論文。

該研究首次證明，植入小鼠體內的人腦類器官與小鼠大腦皮層建立了功能連接，并對外部感覺刺激做出了反應。植入的人腦類器官對視覺刺激的反應與周圍組織一樣，研究人員能夠在幾個月的時間里實時觀察到這一點，而這歸功于一種結合了透明石墨烯微電極陣列和雙光子成像的創(chuàng)新實驗裝置。

人腦皮質類器官來源于誘導多能干細胞（iPSC），而誘導多能干細胞通常來源于皮膚細胞。這些腦類器官最近成為研究人類大腦發(fā)育以及一系列神經系統(tǒng)疾病的很有前景的模型。但到目前為止，還沒有一個研究團隊能夠證明，植入小鼠皮層的人腦類器官能夠共享相同的功能屬性，并以相同的方式對刺激做出反應。

這是因為當前用于記錄大腦功能的技術十分有限，通常無法記錄僅持續(xù)幾毫秒的大腦活動。如今，加州大學圣地亞哥分校 Duygu Kuzum 教授團隊通過開發(fā)將透明石墨烯制成的微電極陣列和雙光子成像（一種可以成像1毫米厚度的活體組織的顯微鏡技術）相結合的技術，成功解決了這個難題。

Duygu Kuzum 教授團隊在2014年首次開發(fā)了透明石墨烯電極，并從那時起一直在推進這項技術。研究團隊使用鉑納米顆粒將石墨烯電極的阻抗降低100倍，同時保持其透明特性，低阻抗石墨烯電極能夠在宏觀和單細胞水平記錄和成像神經元活動。

通過在移植的類器官上放置一個這樣的電極陣列，研究團隊能夠記錄來自植入的類器官和周圍宿主皮層的實時神經活動。通過雙光子成像，他們還觀察到小鼠血管生長到類器官植入物中，為其提供必要的營養(yǎng)和氧氣。

人腦皮質類器官的生成與微電極陣列在小鼠皮層的共植入

不僅如此，研究團隊還將一種用于視覺刺激的白光LED應用到植入類器官的小鼠身上，同時對小鼠進行雙光子顯微鏡檢查。他們觀察到類器官上電極通道的電活動，表明類器官對刺激的反應與周圍的宿主皮質組織相同。電生理活動通過功能連接從植入的類器官區(qū)最接近視覺皮層的區(qū)域傳播。

視覺刺激誘發(fā)的人腦皮質類器官和宿主皮質的局部場電位記錄

此外，這種透明石墨烯電極技術能夠記錄類器官和周圍小鼠皮層的電尖峰信號，石墨烯記錄顯示伽馬振蕩的功率增加，以及從類器官到小鼠視覺皮層的緩慢振蕩的尖峰相位鎖定。這些發(fā)現(xiàn)表明，類器官在植入三周后就與周圍的皮層組織建立了突觸連接，并接受了來自小鼠大腦的功能輸入。

人腦皮質類器官和宿主皮質的多單元活動

研究團隊將這項實驗持續(xù)了11周，并顯示了植入的人大腦皮質類器官與宿主小鼠大腦皮層的功能和形態(tài)整合。研究團隊接下來計劃進行更多的實驗，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。這些方法也可以用來追蹤類器官和小鼠皮層之間的軸突投影。

Duygu Kuzum 教授表示，在后續(xù)研究中，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，以及評估類器官在恢復特定功能缺失、退化或受損大腦區(qū)域的潛力。

人腦皮質類器官血管化的體內成像和死后免疫組化分析

總而言之，這項研究將透明石墨烯制成的微電極陣列和雙光子成像技術相結合，從而能夠在宏觀和單細胞水平記錄和成像神經元活動。這項技術表明，由iPSC生成的人大腦皮質類器官在植入小鼠大腦后能與周圍的宿主皮層組織建立突觸連接，并接受了來自小鼠大腦的視覺刺激輸入，產生相應的電生理反應。

這種創(chuàng)新的神經記錄技術將為研究大腦類器官創(chuàng)造了一個獨特的平臺，為研究人類神經網絡層面的功能障礙，并研究將大腦皮質類器官作為神經修復物來恢復功能缺失、退化或受損的大腦區(qū)域的功能提供了前所未有的機會。