一個由工程師和神經(jīng)科學家組成的團隊首次證明，植入小鼠體內(nèi)的人腦類器官已經(jīng)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。植入的類器官對視覺刺激的反應與周圍組織的反應相同，多虧了結合透明石墨烯微電極陣列和雙光子成像的創(chuàng)新實驗裝置，研究人員能夠在幾個月內(nèi)實時觀察到這一現(xiàn)象。

由加州大學圣地亞哥分校電氣與計算機工程系教員Duygu Kuzum領導的研究小組在12月26日出版的《Nature Communications》雜志上詳細介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

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。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(jīng)系統(tǒng)疾病的有前途的模型。

但到目前為止，還沒有研究團隊能夠證明，植入小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，通常無法記錄僅持續(xù)幾毫秒的活動。

加州大學圣地亞哥分校領導的團隊通過開發(fā)結合透明石墨烯制成的微電極陣列和雙光子成像的實驗來解決這個問題，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。

               

該論文的第一作者、加州大學圣地亞哥分校Kuzum研究小組的博士生Madison Wilson說:“沒有其他研究能夠同時用光學和電子方式記錄。我們的實驗表明，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?！?/p>

研究人員希望，這種創(chuàng)新神經(jīng)記錄技術的結合研究類器官，將作為一個獨特的平臺，全面評估類器官作為大腦發(fā)育和疾病的模型，并研究它們作為神經(jīng)假肢的用途，以恢復失去、退化或受損的大腦區(qū)域的功能。

Kuzum說:“這個實驗裝置為研究發(fā)育性腦疾病背后的人類神經(jīng)網(wǎng)絡水平功能障礙提供了前所未有的機會?！?/p>

Kuzum的實驗室在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(jīng)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(jīng)活動。利用雙光子成像，他們還觀察到小鼠的血管長成了類器官，為植入物提供必要的營養(yǎng)和氧氣。

研究人員對植入類器官的小鼠施加視覺刺激——一種光學白光led，同時將小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(qū)最接近視覺皮層的區(qū)域傳播。

               

此外，他們的低噪聲透明石墨烯電極技術能夠電記錄類器官和周圍小鼠皮層的尖峰活動。石墨烯記錄顯示伽馬振蕩的功率增加，從類器官到小鼠視覺皮層的慢振蕩的尖峰的相位鎖定。這些發(fā)現(xiàn)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，并接受了來自小鼠大腦的功能輸入。研究人員將這些慢性多模態(tài)實驗持續(xù)了11周，并顯示了植入的人腦類器官與宿主小鼠皮層的功能和形態(tài)整合。

接下來的步驟包括更長的實驗，涉及神經(jīng)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(jīng)元的峰值活動。其他方法也可以用來追蹤類器官和小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(jīng)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(qū)域的潛力，”Kuzum說。