人的智慧，源于大腦。記憶、語(yǔ)言和情緒等復(fù)雜的生理現(xiàn)象均源自于大腦的一系列電生理活動(dòng)，作為意識(shí)的載體，大腦讓人類得以認(rèn)知世界，并對(duì)外界的諸事諸物做出即時(shí)性的判斷和反應(yīng)。

毫無(wú)疑問，大腦是人體最復(fù)雜的器官。但直至現(xiàn)在，人類對(duì)自身大腦的行為模式的認(rèn)知仍極為有限。

近日，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員在 Nature Communications 期刊發(fā)表了題為：Multimodal monitoring of human cortical organoids implanted in mice reveal functional connection with visual cortex 的研究論文。

該研究首次證明，植入小鼠體內(nèi)的人腦類器官與小鼠大腦皮層建立了功能連接，并對(duì)外部感覺刺激做出了反應(yīng)。植入的人腦類器官對(duì)視覺刺激的反應(yīng)與周圍組織一樣，研究人員能夠在幾個(gè)月的時(shí)間里實(shí)時(shí)觀察到這一點(diǎn)，而這歸功于一種結(jié)合了透明石墨烯微電極陣列和雙光子成像的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置。

人腦皮質(zhì)類器官來(lái)源于誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC），而誘導(dǎo)多能干細(xì)胞通常來(lái)源于皮膚細(xì)胞。這些腦類器官最近成為研究人類大腦發(fā)育以及一系列神經(jīng)系統(tǒng)疾病的很有前景的模型。但到目前為止，還沒有一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)能夠證明，植入小鼠皮層的人腦類器官能夠共享相同的功能屬性，并以相同的方式對(duì)刺激做出反應(yīng)。

這是因?yàn)楫?dāng)前用于記錄大腦功能的技術(shù)十分有限，通常無(wú)法記錄僅持續(xù)幾毫秒的大腦活動(dòng)。如今，加州大學(xué)圣地亞哥分校 Duygu Kuzum 教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)開發(fā)將透明石墨烯制成的微電極陣列和雙光子成像（一種可以成像1毫米厚度的活體組織的顯微鏡技術(shù)）相結(jié)合的技術(shù)，成功解決了這個(gè)難題。

Duygu Kuzum 教授團(tuán)隊(duì)在2014年首次開發(fā)了透明石墨烯電極，并從那時(shí)起一直在推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)使用鉑納米顆粒將石墨烯電極的阻抗降低100倍，同時(shí)保持其透明特性，低阻抗石墨烯電極能夠在宏觀和單細(xì)胞水平記錄和成像神經(jīng)元活動(dòng)。

通過(guò)在移植的類器官上放置一個(gè)這樣的電極陣列，研究團(tuán)隊(duì)能夠記錄來(lái)自植入的類器官和周圍宿主皮層的實(shí)時(shí)神經(jīng)活動(dòng)。通過(guò)雙光子成像，他們還觀察到小鼠血管生長(zhǎng)到類器官植入物中，為其提供必要的營(yíng)養(yǎng)和氧氣。

人腦皮質(zhì)類器官的生成與微電極陣列在小鼠皮層的共植入

不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)還將一種用于視覺刺激的白光LED應(yīng)用到植入類器官的小鼠身上，同時(shí)對(duì)小鼠進(jìn)行雙光子顯微鏡檢查。他們觀察到類器官上電極通道的電活動(dòng)，表明類器官對(duì)刺激的反應(yīng)與周圍的宿主皮質(zhì)組織相同。電生理活動(dòng)通過(guò)功能連接從植入的類器官區(qū)最接近視覺皮層的區(qū)域傳播。

視覺刺激誘發(fā)的人腦皮質(zhì)類器官和宿主皮質(zhì)的局部場(chǎng)電位記錄

此外，這種透明石墨烯電極技術(shù)能夠記錄類器官和周圍小鼠皮層的電尖峰信號(hào)，石墨烯記錄顯示伽馬振蕩的功率增加，以及從類器官到小鼠視覺皮層的緩慢振蕩的尖峰相位鎖定。這些發(fā)現(xiàn)表明，類器官在植入三周后就與周圍的皮層組織建立了突觸連接，并接受了來(lái)自小鼠大腦的功能輸入。

人腦皮質(zhì)類器官和宿主皮質(zhì)的多單元活動(dòng)

研究團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)持續(xù)了11周，并顯示了植入的人大腦皮質(zhì)類器官與宿主小鼠大腦皮層的功能和形態(tài)整合。研究團(tuán)隊(duì)接下來(lái)計(jì)劃進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)，涉及神經(jīng)疾病模型，以及在實(shí)驗(yàn)設(shè)置中結(jié)合鈣成像，以可視化類器官神經(jīng)元的峰值活動(dòng)。這些方法也可以用來(lái)追蹤類器官和小鼠皮層之間的軸突投影。

Duygu Kuzum 教授表示，在后續(xù)研究中，干細(xì)胞和神經(jīng)記錄技術(shù)的結(jié)合將被用于生理?xiàng)l件下的疾病建模，檢查患者特異性類器官的候選治療方法，以及評(píng)估類器官在恢復(fù)特定功能缺失、退化或受損大腦區(qū)域的潛力。

人腦皮質(zhì)類器官血管化的體內(nèi)成像和死后免疫組化分析

總而言之，這項(xiàng)研究將透明石墨烯制成的微電極陣列和雙光子成像技術(shù)相結(jié)合，從而能夠在宏觀和單細(xì)胞水平記錄和成像神經(jīng)元活動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)表明，由iPSC生成的人大腦皮質(zhì)類器官在植入小鼠大腦后能與周圍的宿主皮層組織建立突觸連接，并接受了來(lái)自小鼠大腦的視覺刺激輸入，產(chǎn)生相應(yīng)的電生理反應(yīng)。

這種創(chuàng)新的神經(jīng)記錄技術(shù)將為研究大腦類器官創(chuàng)造了一個(gè)獨(dú)特的平臺(tái)，為研究人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層面的功能障礙，并研究將大腦皮質(zhì)類器官作為神經(jīng)修復(fù)物來(lái)恢復(fù)功能缺失、退化或受損的大腦區(qū)域的功能提供了前所未有的機(jī)會(huì)。