一個(gè)由工程師和神經(jīng)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)首次證明，植入小鼠體內(nèi)的人腦類器官已經(jīng)與動(dòng)物皮層建立了功能性連接，并對(duì)外部感官刺激做出了反應(yīng)。植入的類器官對(duì)視覺刺激的反應(yīng)與周圍組織的反應(yīng)相同，多虧了結(jié)合透明石墨烯微電極陣列和雙光子成像的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，研究人員能夠在幾個(gè)月內(nèi)實(shí)時(shí)觀察到這一現(xiàn)象。

由加州大學(xué)圣地亞哥分校電氣與計(jì)算機(jī)工程系教員Duygu Kuzum領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在12月26日出版的《Nature Communications》雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。

人皮質(zhì)類器官來源于人誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，這些干細(xì)胞通常來源于皮膚細(xì)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(tuán)隊(duì)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(duì)刺激做出反應(yīng)。這是因?yàn)橛糜谟涗洿竽X功能的技術(shù)是有限的，通常無法記錄僅持續(xù)幾毫秒的活動(dòng)。

加州大學(xué)圣地亞哥分校領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)通過開發(fā)結(jié)合透明石墨烯制成的微電極陣列和雙光子成像的實(shí)驗(yàn)來解決這個(gè)問題，雙光子成像是一種顯微鏡技術(shù)，可以對(duì)厚度達(dá)一毫米的活組織成像。

               

該論文的第一作者、加州大學(xué)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(shí)用光學(xué)和電子方式記錄。我們的實(shí)驗(yàn)表明，視覺刺激會(huì)引起類器官的電生理反應(yīng)，與周圍皮層的反應(yīng)相匹配。”

研究人員希望，這種創(chuàng)新神經(jīng)記錄技術(shù)的結(jié)合研究類器官，將作為一個(gè)獨(dú)特的平臺(tái)，全面評(píng)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(fù)失去、退化或受損的大腦區(qū)域的功能。

Kuzum說:“這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置為研究發(fā)育性腦疾病背后的人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)水平功能障礙提供了前所未有的機(jī)會(huì)。”

Kuzum的實(shí)驗(yàn)室在2014年首次開發(fā)了透明石墨烯電極，并從那時(shí)起一直在推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。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(shí)保持電極透明。低阻抗石墨烯電極能夠在宏觀尺度和單細(xì)胞水平上記錄和成像神經(jīng)元活動(dòng)。

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?qū)崟r(shí)記錄來自植入的類器官和周圍宿主皮層的神經(jīng)活動(dòng)。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(duì)植入類器官的小鼠施加視覺刺激——一種光學(xué)白光led，同時(shí)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(dòng)，表明類器官與周圍組織對(duì)刺激的反應(yīng)相同。電活動(dòng)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(shù)能夠電記錄類器官和周圍小鼠皮層的尖峰活動(dòng)。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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，涉及神經(jīng)疾病模型，以及在實(shí)驗(yàn)設(shè)置中結(jié)合鈣成像，以可視化類器官神經(jīng)元的峰值活動(dòng)。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?cè)O(shè)想，在未來的道路上，干細(xì)胞和神經(jīng)記錄技術(shù)的結(jié)合將被用于生理?xiàng)l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(píng)估類器官恢復(fù)特定丟失、退化或受損大腦區(qū)域的潛力，”Kuzum說。