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

上展示了透過人類幹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徵。”

過去十多里，科學家們已經掌握了方法從人體中取出面板或血細胞，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型別的人體細胞轉變，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整合團，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線，具備發放電訊號的功能，就像大腦中真正的神經元那樣。

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顯微鏡下的大腦類器官顯示出分層的組織結構和不同型別的細胞（圖片來源：參考資料［2］；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訊號，還會產生神經振盪，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徵兆，

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路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。

用健康人的面板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，並透過鈣成像技術檢測了神經細胞的電活動，由此收集到的資料類似於透過腦電圖（EEG）得到的資訊。

從分析結果中，研究人員觀察到了一系列神經振盪

。“一旦知道如何控制這些大腦類器官出現何種神經振盪模式，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綜合徵患者的細胞開發了大腦類器官

。Rett綜合徵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。他們的神經振盪出現異常，顯示出快速、混動的腦電波。

而研究人員用來自Rett綜合徵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盪，以及癲癇樣活動。

研究人員給這些模擬Rett綜合徵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］ Samarasinghe， R。A。， Miranda， O。A。， Buth， J。E。 et al。 Identification of neural oscillations and epileptiform changes in human brain organoids。 Nat Neurosci （2021）。 https：//doi。org/10。1038/s41593-021-00906-5

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