▎药明康德内容团队编辑
大脑被公认为最复杂、最神秘的人体器官。要弄清楚人脑的奥秘，比如它如何发育以及为何会产生“故障”——出现一系列神经系统疾病，多年来神经科学家常常需要借助于动物的大脑。近年来，随着干细胞领域的技术突破，人脑类器官提供了更接近于人脑的新模型。
日前，科学家们利用创新的神经记录技术，首次证实了植入小鼠的人脑类器官能够与动物原有的大脑皮层形成功能连接，并对外界的光刺激做出反应。
▲ 研究结果发表于《自然》旗下的 Nature Communications
人脑类器官利用人的诱导多能干细胞分化而来，利用特定的培养条件，这些细胞在培养皿中聚集并自我组装成三维组织，在结构、细胞类型等特征上与真实人脑相似，还有复杂的神经电活动，就像一个微型的人体大脑。
除了这些相似之处外，人脑类器官在功能属性上是否也能模拟真正的大脑？为此，科学家们尝试着把培养皿中生成的人脑类器官植入了小鼠的大脑皮层，对其神经活动进行长时间的实时监测，并且将类器官植入物和周围宿主皮层的神经电活动进行比较。
▲ 用透明石墨烯制成的微电极记录类器官的电活动（图片来源：参考资料[2]；Credit：David Baillot/UC San Diego）
成功实现这一目的，离不开技术创新。在这项研究中，加州大学圣地亚哥分校的神经科学家和工程师开发了一种新技术，利用透明石墨烯制成的低阻抗微电极阵列，对脑组织内的神经元进行单细胞水平的电活动记录。研究人员将电极阵列放置在植入的类器官上方，可以同时记录来自植入物和周围脑组织的神经活动。
与此同时，他们使用了双光子成像技术进行光学记录。可以观察到，植入的类器官中有小鼠的血管，意味着这些植入物可以获得必要的营养的氧气。
▲ 将人脑类器官和微电极植入小鼠大脑进行记录（图片来源：参考资料[1]）
当研究人员用白光给小鼠施加视觉刺激时，他们根据电极记录到的神经电活动发现，人脑类器官与其周围的鼠脑组织有着相同的电活动模式。通过功能连接，电生理活动从类器官植入物距离小鼠视觉皮层最近的区域开始传播。“我们的实验表明，视觉刺激唤起类器官中的电生理反应，与周围皮层的反应相匹配。”论文第一作者、博士后 Madison Wilson 说。
不仅电生理的监测结果表明植入小鼠大脑的类器官和宿主大脑之间形成了功能整合，对脑组织进行免疫染色的结果也进一步证明类器官植入后，人-鼠的神经元之间建立了突触连接。
基于这些发现，研究小组指出，这种带有透明微电极植入小鼠体内的人脑类器官可以在未来发挥很多研究用途，发展为一个多功能体内平台，全面评估人类神经元网络的发育、成熟和功能整合，模拟疾病，评估用类器官修复受损大脑区域的潜力，等等。
参考资料：
[1] Madison N. Wilson et al.， (2022) Multimodal monitoring of human cortical organoids implanted in mice reveal functional connection with visual cortex. Nature Communications Doi: https://doi.org/10.1038/s41467-022-35536-3
[2] Human brain organoids implanted into mouse cortex respond to visual stimuli for first time. Retrieved Jan. 3, 2023 from https://www.eurekalert.org/news-releases/975413
