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人脑细胞在大鼠体内生长，感受大鼠的感受

人脑“类器官”将自身连接到大鼠的神经系统，影响动物的感觉和行为

作者：Carl Zimmer

发布时间：2022 年 10 月 18 日星期二，12： 13 AM

科学家已成功将人类神经元簇移植到新生大鼠的大脑中，这是生物工程的一项惊人壮举，它可能为自闭症等神经系统疾病提供更逼真的模型，并作为恢复受伤大脑的一种方式。

在上周发表的一项研究中，斯坦福大学的研究人员报告说，被称为“类器官”的人类细胞团长成数百万个新的神经元，并将自己连接到新的神经系统中。一旦类器官插入大鼠的大脑，动物就可以从胡须中接收到感觉信号，并帮助产生指令信号来指导它们的运动。

领导这项研究的神经科学家 Sergiu Pasca 博士说，他和他的同事们现在正在使用移植的神经元来了解自闭症、精神分裂症和其他发育障碍的生物学基础。

“如果我们真的想解决这些条件的生物学问题，我们将需要更复杂的人脑模型，”帕斯卡说。

2009 年，在罗马尼亚接受医学培训后，帕斯卡作为博士后研究员加入斯坦福大学，学习如何在培养皿中制造人类神经元。他和他的同事从志愿者身上提取皮肤细胞，然后将它们浸泡在化学物质中，从而改变它们的性格。现在它们更像是胚胎细胞，可以变成身体的任何组织。

随着更多化学物质的加入，研究人员诱使细胞发育成神经元。然后，他们可以观察到当神经元放在盘子里时，电压脉冲会沿着神经元的长度向下射出。

帕斯卡和他的同事再次进行了同样的实验，这次使用的是蒂莫西综合征患者的皮肤细胞，这是一种罕见的自闭症，由单一突变引起，导致严重的心脏问题以及语言和社交技能受损。

在培养皿中培养蒂莫西综合征神经元，帕斯卡可以看到它们与典型神经元之间的许多差异。例如，它们产生了额外的信号化学物质，例如多巴胺。

但检查单个细胞只能揭示关于这种情况的有限数量的线索。帕斯卡怀疑他可以通过研究数千个神经元在称为脑类器官的回路中连接在一起来了解更多信息。

一种新的化学配方使帕斯卡能够模拟发育中的大脑内部的状况。沐浴在这种肉汤中，皮肤细胞变成了祖脑细胞，而这些祖细胞又变成了在大脑外层（称为皮层）中发现的神经元缠结。

在后来的一项研究中，他和他的同事连接了三个类器官：一个由皮层组成，另一个由脊髓组成，三分之一由肌肉细胞组成。刺激皮质类器官导致肌肉细胞收缩。

但类器官远非微型大脑。一方面，他们的神经元仍然发育迟缓。另一方面，它们不像活体大脑中的普通神经元那样具有电活性。 “很明显，这些模型存在许多限制，”Pasca 说。

科学家们开始将类器官放入活体大脑中，推测培养皿限制了类器官的发育。 2018 年，索尔克生物研究所的神经科学家 Fred Gage 和他的同事将人脑类器官移植到成年小鼠的大脑中。当小鼠大脑为它们提供血管时，人类神经元继续成熟。

从那时起，盖奇和其他研究人员将类器官植入大脑后部，老鼠在那里感知来自眼睛的信号。根据 6 月份在线发表的一项尚未经过同行评审的研究，当动物看到白光脉冲闪烁时，人类器官神经元的反应方式与小鼠自身细胞的反应方式大致相同。

帕斯卡和他的团队也在研究类器官移植，但他们选择将它们放入年轻的啮齿动物而不是成年啮齿动物体内。老鼠出生一两天后，科学家们将一种罂粟种子大小的类器官注射到大脑中称为体感皮层的区域，该区域处理来自全身的触觉、疼痛和其他信号。在大鼠中，该区域对来自胡须的信号特别敏感。

人类神经元在大鼠大脑中繁殖，直到数量达到约 300 万个，约占大鼠大脑一侧皮层的三分之一。类器官中每个细胞的生长时间是培养皿中的六倍。这些细胞也变得与人类大脑中的神经元一样活跃。

更引人注目的是，人类类器官自发地连接到大鼠大脑中。它们不仅连接到附近的神经元，还连接到远处的神经元。

这些连接使人类神经元对老鼠的感官敏感。当研究人员向老鼠的胡须吹气时，老鼠的类器官会发出噼啪声。

帕斯卡和他的同事还进行了实验，以了解类器官如何影响老鼠的行为，在老鼠的房间里使用喷泉。

经过 15 天的训练，老鼠们了解到，当它们的类器官受到刺激时，它们可以从喷泉中喝水。人类类器官显然正在向老鼠大脑中寻求奖励的区域发送信息。

Pasca 正在使用植入的类器官来研究神经系统疾病。在一项实验中，Pasca 的团队在大鼠大脑的一侧植入了蒂莫西综合征患者的类器官，并在另一侧植入了另一个没有突变的类器官。

两种类器官都在大鼠体内生长。但是蒂莫西综合征神经元发展出两倍多的用于接收传入信号的分支，称为树突。更重要的是，树突更短。

帕斯卡希望他能够观察到老鼠在携带自闭症和其他神经系统疾病患者的大脑类器官时的行为方式的差异。这样的实验可以帮助揭示某些突变如何改变大脑的工作方式。

宾夕法尼亚大学的神经外科医生和类器官研究员艾萨克陈博士没有参与这项研究，他在新研究中看到了另一种可能性：修复人类大脑的损伤。

Chen 设想从皮质受损患者的皮肤中生长出类脑器官。一旦注入患者的大脑，类器官可能会生长并与健康的神经元连接。

“这个想法肯定存在，”他说。 “这只是一个问题，我们如何利用它，并将其提升到一个新的水平？”

这篇文章最初出现在纽约时报

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