用幹細胞複製人腦 ，產生“腦電波” ！新技術為治療腦疾病邁進一步

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上展示了通過人類幹細胞培養的大腦類器官 ，為影響大腦功能的神經係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複雜神經活動 ，還可以重現某些大腦疾病標誌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 ，我們可以製造出與真實人腦組織相類似的器官 ，並用於準確複製人腦功能和疾病的某些特征 。”

過去十多裏 ，科學家們已經掌握了方法從人體中取出皮膚或血細胞 ，誘導它們成為多能幹細胞（iPSC） ，然後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 ，這些由幹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 。除了結構複雜之外 ，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於特定的活動 ，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複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後 ，研究人員使用探針進行了細胞外記錄 ，並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於通過腦電圖（EEG）得到的信息 。從分析結果中 ，研究人員觀察到了一係列神經振蕩 。“一旦知道如何控製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幹細胞 ，進一步培養出大腦類器官後 ，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於正常 ，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