近日，加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究人員在《自然》旗下子刊Nature Neuroscience上展示了通過人類干細胞培養的大腦類器官，為影響大腦功能的神經系統疾病提供了有力的研究工具。

這些類似真實人腦的三維組織具有與真正人腦相似的復雜神經活動，還可以重現某些大腦疾病標志性的神經電活動模式。論文通訊作者、神經科學家Bennett Novitch教授指出：“這項研究表明，我們可以制造出與真實人腦組織相類似的器官，并用于準確復制人腦功能和疾病的某些特征。”

過去十多里，科學家們已經掌握了方法從人體中取出皮膚或血細胞，誘導它們成為多能干細胞（iPSC），然后引導這些細胞向任何一種類型的人體細胞轉變，包括神經元。在一定的培養條件下，這些由干細胞衍生的細胞可以進一步聚集成團，模擬出人體器官的細胞組成和特性，形成所謂的“類器官”，就像微型人體器官一樣。

不過，模擬人腦的挑戰特別巨大。除了結構復雜之外，細胞之間還必須相互連接，具備發放電信號的功能，就像大腦中真正的神經元那樣。

▲顯微鏡下的大腦類器官顯示出分層的組織結構和不同類型的細胞（圖片來源：參考資料[1]；Credit：UCLA Broad Stem Cell Research Center/Nature Neuroscience）

而且，健康的人腦細胞在響應刺激時不僅會發放電信號，還會產生神經振蕩，也就是由神經元群體同步發放形成的腦電波。不同的腦電波模式對應于特定的活動，比如學習或睡眠。腦電波活動模式的異常則可能是某些神經疾病的征兆，這些神經疾病給患者帶來了巨大的痛苦，從大腦外觀結構上看卻幾乎是正常的。

大腦類器官是否具有足夠的神經網絡復雜性來模擬出這些功能？在這項研究中，科學家們給出了回答。

用健康人的皮膚細胞培養出大腦類器官后，研究人員使用探針進行了細胞外記錄，并通過鈣成像技術檢測了神經細胞的電活動，由此收集到的數據類似于通過腦電圖（EEG）得到的信息。從分析結果中，研究人員觀察到了一系列神經振蕩。“一旦知道如何控制這些大腦類器官出現何種神經振蕩模式，我們或許最終就能模擬出不同的大腦狀態。”Novitch教授說。

▲該研究通訊作者Bennett Novitch教授（圖片來源：UCLA）

接著，研究小組利用了來自Rett綜合征患者的細胞開發了大腦類器官。Rett綜合征是一種基因突變引起的神經發育障礙，患者的大腦功能受到影響，有智力遲緩、刻板動作以及癲癇發作等表現。他們的神經振蕩出現異常，顯示出快速、混動的腦電波。

而研究人員用來自Rett綜合征患者的誘導多能干細胞，進一步培養出大腦類器官后，同樣觀察到了高度異常的神經振蕩，以及癲癇樣活動。

研究人員給這些模擬Rett綜合征的大腦類器官施加了一種實驗性的治療藥物pifithrin-alpha，發現可以使類器官的神經活動趨于正常，癲癇相關的活動模式消失。“這是在大腦類器官中測試藥物的第一個具體例子。”論文第一作者Ranmal A. Samarasinghe教授說，“我們希望以此為基礎，更深入地理解人類大腦的生物學和大腦疾病。”

參考資料：

[1] Scientists develop brain organoids with complex neural activity. Retrieved Aug. 24, 2021 from https://newsroom.ucla.edu/releases/brain-organoids-complex-neural-activity