研究人员开发了研究大脑连接和功能的方法

“这项工作为科学家研究复杂人脑疾病的细胞和电路基础的能力提供了重大进展。NIMH神经科学和基础行为科学部发育与基因组神经科学研究部门主任David Panchision博士说:“它允许类器官在更生物学相关的环境中‘连接’，并以在培养皿中无法实现的方式发挥作用。”

研究员Sergiu Pasca医学博士他和加州斯坦福大学的同事们证明，由人类干细胞培养的皮质类器官可以移植到正在发育的大鼠大脑上，并与之整合，以研究某些发育和功能过程。这些发现表明，移植的类器官可能为研究与疾病发展相关的过程提供了一个强大的工具。

研究人员有时会使用皮质类器官——人类干细胞的三维培养，可以反映典型大脑的一些发育过程——作为研究人脑某些方面如何发育和功能的模型。然而，皮质类器官缺乏典型人脑中的连通性，限制了它们在理解复杂大脑过程中的作用。研究人员一直试图通过将单个人类神经元移植到成年啮齿动物的大脑中来克服这些限制。虽然这些移植的神经元与啮齿动物的脑细胞相连，但由于成年大鼠大脑的发育限制，它们并没有完全融合在一起。

在这项研究中，研究团队通过将完整的人类皮质类器官移植到发育中的大鼠大脑中，推进了大脑类器官的研究。这项技术创造了一个可以检查和操作的人体组织单元。研究人员使用帕斯卡实验室以前首创的方法，用人类诱导的多能干细胞(从成人皮肤细胞中提取的细胞，已被重新编程为未成熟的干细胞样状态)制造出皮质类器官。然后，他们将这些类器官植入大鼠的初级体感皮层，这是大脑中处理感觉的一部分。

在接受器官移植的大鼠中，研究人员没有发现任何运动或记忆异常，也没有发现大脑活动异常。来自大鼠脑的血管成功地支持了植入的组织，这些组织随着时间的推移而生长。

为了了解类器官能在多大程度上融入大鼠体感皮层，研究人员用一种病毒示踪剂感染了皮质类器官，这种病毒示踪剂作为功能连接的指标在脑细胞中传播。在将标记好的类器官移植到大鼠的初级体感皮层后，研究人员在大脑的多个区域，如腹基底核和体感皮层，检测到病毒示踪剂。此外，研究人员还观察到丘脑和移植区域之间的新连接。通过电刺激和刺激大鼠的胡须，这些连接被激活，表明它们正在接受有意义的感官输入。此外，研究人员能够激活移植的类器官中的人类神经元，以调节大鼠的奖励寻求行为。研究结果表明，移植的类器官与特定的大脑通路存在功能性整合。

在结构和功能上，经过7到8个月的生长，移植的脑类器官比细胞培养中保持的人类类器官更像来自人脑组织的神经元。移植的类器官反映了人类皮层神经元的结构和功能特征，这一事实使研究人员想知道他们是否可以使用移植的类器官来检查人类疾病过程的各个方面。

“这个平台的前景不仅在于确定生命回路中人类神经元高级成熟的分子过程，并利用它来改进传统的在体外还可以为人类神经元提供行为读数，”帕斯卡博士说。

为了验证这一点，研究人员用三名患有与自闭症和癫痫相关的罕见遗传疾病的参与者的细胞生成了皮质类器官蒂莫西综合症以及三名没有任何已知疾病的参与者，并将它们植入大鼠的大脑。两种类型的类器官都整合到大鼠体感觉皮层，但来自蒂莫西综合征患者的类器官表现出结构差异。这些结构差异没有出现在从蒂莫西综合征患者的细胞中产生的类器官中，并在细胞培养中保持。

“这些实验表明，这种新方法可以捕捉到超出我们目前所能检测到的过程在体外帕斯卡博士说。“这很重要，因为导致精神疾病的许多变化可能是神经回路层面的细微差异。”