显示分层神经组织和不同类型神经细胞的微型脑器官的显微镜图像
学分:加州大学洛杉矶分校广义干细胞研究中心/自然神经科学 加州大学洛杉矶分校再生医学和干细胞研究中心的研究人员已经开发出大脑器官——由人类干细胞生长而成的三维大脑样结构——显示出类似于在活体人脑中发现的有组织的活动波
然后，在研究从患有神经系统疾病的雷特综合征患者的干细胞中生长的器官时，科学家们能够观察到类似癫痫发作的电活动模式，癫痫发作是这种疾病的标志
这项研究今天发表在《自然神经科学》杂志上，扩大了可以在器官类中研究的大脑状况的列表，并进一步说明了这些基于人类细胞的模型在研究疾病的潜在原因和测试潜在疗法中的价值
Broad干细胞研究中心成员、该研究的资深作者Bennett Novitch说:“这项工作证明，我们可以制造类似真实人脑组织的器官，并可以用来精确复制胡曼脑功能和疾病的某些特征。”
在过去的十年里，研究人员发现了如何从人体中提取细胞，如皮肤细胞或血细胞，在实验室中诱导它们成为诱导多能干细胞，然后指导这些细胞形成身体中发现的任何类型的细胞——包括神经元
科学家现在甚至可以鼓励诱导多能干细胞聚集成三维形式，创造出看起来更像微型人体器官而不是平板细胞的器官
这一进展使科学家能够研究一个人的细胞可能与正常人的细胞有什么不同，并进行在活人身上不可能进行的实验——例如，操纵肾细胞的遗传学，或者使用肺器官来研究新冠肺炎如何感染和损害肺
然而，当涉及到人脑时，创造一个模仿器官结构复杂性的器官是特别具有挑战性的
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，像人脑中的神经元一样发挥作用
健康的人类脑细胞不仅响应刺激在整个大脑中发送电信号，而且还具有协调的活动波，称为神经振荡或脑电波
脑电波的不同模式与特定的活动有关，例如学习或睡觉，这些模式的异常可能是疾病的征兆
“有许多神经系统疾病，你可能会有可怕的症状，但大脑看起来身体健康，”博士说
兰马尔·萨马拉辛哈是广义干细胞研究中心的成员，也是这篇论文的第一作者
“因此，为了能够找到这些疾病的答案，非常重要的是，有了器官类，我们不仅可以模拟大脑的结构，还可以模拟大脑的功能
" 在从健康人的皮肤细胞中产生了一批大脑器官后，诺维奇、萨马拉辛哈和加州大学洛杉矶分校智力和发育障碍研究中心的同事们使用了两种不同的方法来研究它们内部的电活动模式——一种方法是在每个器官中插入探针来测量大脑活动，另一种方法是在显微镜下观察正在活动的脑细胞
他们收集的一些信息类似于科学家通常在大脑扫描中发现的叫做脑电图的数据
分析显示了多种类型的神经振荡
“我没有预料到我们会看到的振荡模式的范围，”诺维奇说，他也是加州大学洛杉矶分校的埃塞尔·谢贝尔神经科学教授
“通过学习如何控制一个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，研究小组利用雷特综合征患者的细胞开发了大脑器官，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是正常的，但它们的神经振荡是异常的:它们缺乏非Rett类器官所表现出的各种振荡
相反，雷特氏器官像临床医生在雷特氏综合征和相关疾病患者的脑电图中看到的那样，活动迅速、紊乱
当诺维奇和萨马拉辛哈用一种名为Pifithrin-alpha的实验药物治疗Rett类器官时，癫痫发作相关的活动模式消失了，类器官的神经活动变得更加正常
器官类在研究大脑疾病方面的应用仍然有限，因为器官类不会复制人脑的每一个方面——例如，它们缺乏血管——而且它们类似于早期发育的大脑，而不是成年人的大脑
但是加州大学洛杉矶分校的研究表明，尽管如此，它们仍然可以用于测试各种各样的大脑功能、疾病和药物，而这些是无法用培养皿中的脑细胞来研究的
萨马拉辛哈说:“这是在大脑器官中进行药物测试的首批实际例子之一。”萨马拉辛哈也是神经病学的助理教授
“我们希望它能成为更好地理解人类大脑生物学和大脑疾病的垫脚石
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