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人腦是人體中最復(fù)雜的器官之一。對腦內(nèi)細(xì)胞所形成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究是神經(jīng)生物學(xué)家們揭開學(xué)習(xí)、記憶等等人類行為的重要基礎(chǔ)。但是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性以及對于完整胚胎大腦進行電生理學(xué)等方面的直接研究涉及到倫理問題，科學(xué)界對于一個優(yōu)良的體外研究模型的需求呼之欲出。人體中復(fù)雜的動態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)育的早期就已經(jīng)出現(xiàn)，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最初的塑造與發(fā)展是在產(chǎn)前還是在其后的發(fā)育過程中逐漸建立起來的還很不清楚。

為了對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)早期的建立過程進行研究并提供良好的模型系統(tǒng)，近日，加州大學(xué)圣地亞哥分校Alysson R. Muotri研究組在Cell Stem Cell雜志上發(fā)表了題為“Complex Oscillatory Waves Emerging from CorticalOrganoids Model Early Human Brain Network Development”的文章，使用皮層類器官對人類大腦進行研究，從而提供了一個能夠模擬早期胚胎電生理以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的類器官模型。

誘導(dǎo)多能干細(xì)胞產(chǎn)生的類器官能夠在更小尺寸范圍以及同樣具有3D結(jié)構(gòu)的情況下模擬多種細(xì)胞水平和分子水平的腦部發(fā)育過程【1,2】。近年來類器官的研究主要集中在對其細(xì)胞種類的多樣等方面【3】，但是這些類器官是否能夠模擬人類腦部形成過程中復(fù)雜的、具有功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還沒有太多證據(jù)。因此，類器官能否作為研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適合模型還未有定論【4】。

因此，作者們首先希望建立具有功能的皮層類器官。為了驗證培養(yǎng)的類器官是否是真正具有功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，Muotri研究組參考了關(guān)于皮質(zhì)的特化過程方面的研究（圖1）。在分化的最初階段，神經(jīng)祖細(xì)胞大量存在，并且會自組裝形成一個具有極性的神經(jīng)上皮類似結(jié)構(gòu)【2】。隨后，類器官的尺寸逐漸變大，部分神經(jīng)祖細(xì)胞會發(fā)育形成成熟的神經(jīng)元、中間神經(jīng)祖細(xì)胞以及表達不同標(biāo)志物的皮層神經(jīng)元。

圖1 皮層類器官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)形成以及類器官的皮層特化過程

為了確認(rèn)皮層類器官發(fā)育過程中逐漸形成的細(xì)胞種類多樣性，作者們分別在皮層類器官培養(yǎng)的一個月、三個月、六個月以及十個月的時間點對類器官進行單細(xì)胞RNA測序?；诓煌?xì)胞種類的細(xì)胞標(biāo)記物作者們發(fā)現(xiàn)類器官中主要的包括五種細(xì)胞：神經(jīng)祖細(xì)胞、中間神經(jīng)祖細(xì)胞、膠質(zhì)細(xì)胞、谷氨酸能神經(jīng)元以及γ-氨基丁酸能神經(jīng)元（圖2）。γ-氨基丁酸能神經(jīng)元最初在六個月的時間點出現(xiàn)以及十個月培養(yǎng)過程中逐漸積累，在神經(jīng)元成熟過程的第十個月時間點大概能達到總共細(xì)胞比例的15%，這與之后體內(nèi)發(fā)育過程中的大致比例相似【5】。為了進一步證明該皮層類器官的功能性，作者們檢測了其中的γ-氨基丁酸能神經(jīng)元產(chǎn)生γ-氨基丁酸的能力，通過液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用的方式檢測后發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)元成熟過程的第六個月不僅可以檢測到γ-氨基丁酸的產(chǎn)生，其產(chǎn)生的濃度與生理濃度也是具有一定的相關(guān)性的。這些證據(jù)有表型，體外培養(yǎng)的皮層類器官具備作為產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)路的基本條件，也是其作為模型系統(tǒng)的初步證據(jù)。

圖2 對不同時間點的皮層類器官進行單細(xì)胞RNA測序檢測其細(xì)胞多樣性

通過對長期培養(yǎng)的皮層類器官進行電生理學(xué)方面的研究，發(fā)現(xiàn)在10個月的過程中，皮層類器官表現(xiàn)出持續(xù)的電活動增加（圖3）。并且同時作者們通過藥物干預(yù)的實驗進一步驗證了皮層類器官中的γ-氨基丁酸能神經(jīng)元與谷氨酸能神經(jīng)元突觸傳遞功能正常并參與形成正常的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。并且作者們通過將長期培養(yǎng)的皮層類器官與已有的一些早產(chǎn)兒腦電波記錄以及成年人的腦電波信號進行比較后發(fā)現(xiàn)，雖然皮層類器官并不能表現(xiàn)出成年人大腦持續(xù)的、去同步化的腦電波信號，但是培養(yǎng)28周之后的皮層類器官與早產(chǎn)兒的大腦電信號具有一定的一致性。

圖3 皮層類器官長期培養(yǎng)過程中電活動增加

總的來說，Muotri研究組建立的皮層類器官系統(tǒng)對于研究人類早期神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育過程提供了重要的工具，對于發(fā)育過程中神經(jīng)元的表達譜以及細(xì)胞組成方面的研究也同樣提供了新穎的模型。雖然該皮層類器官不能完全代表大腦在體內(nèi)發(fā)育過程，但是由于其尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人類大腦并且其中的細(xì)胞多樣性和成熟度、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性以及神經(jīng)元的功能等方面的數(shù)據(jù)表明，皮層類器官的確可以用于模擬人腦早期發(fā)育的研究，為神經(jīng)系統(tǒng)早期發(fā)育過程以及相關(guān)的疾病機理研究提供了一個小規(guī)模的實驗?zāi)Ｐ汀?/strong>

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2019.08.002

制版人：小嫻子

參考文獻

1. Kelava, I.& Lancaster, M. A. Stem Cell Models of Human Brain Development. Cell stem cell 18, 736-748, doi:10.1016/j.stem.2016.05.022 (2016).

2. Pasca,A. M. et al. Functional corticalneurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture. Nature methods 12, 671-678, doi:10.1038/nmeth.3415 (2015).

3. Birey,F. et al. Assembly of functionallyintegrated human forebrain spheroids. Nature 545, 54-59, doi:10.1038/nature22330(2017).

4. Pasca,S. P. The rise of three-dimensional human brain cultures. Nature 553, 437-445,doi:10.1038/nature25032 (2018).

5. Uylings,H. B. About assumptions in estimation of density of neurons and glial cells. Biological Psychiatry 51, 840-842; author reply, 842-846,doi:10.1016/s0006-3223(02)01330-6 (2002).

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