植入小鼠大脑皮层的人脑器官首次对视觉刺激做出反应

作者：Ioana Patringenaru，加州大学圣地亚哥分校

研究人员开发的实验结合了由透明石墨烯制成的微电极阵列和双光子成像技术，这种显微镜技术可以对厚度达一毫米的活体组织进行成像。图片来源：David Baillot/加州大学圣地亚哥分校

一个由工程师和神经科学家组成的研究小组首次证明，植入小鼠体内的人脑器官与动物大脑皮层建立了功能连接，并对外部感官刺激做出反应。由于采用了结合透明石墨烯微电极阵列和双光子成像的创新实验装置，研究人员能够在几个月的时间里实时观察到植入的有机体对视觉刺激的反应，其反应方式与周围组织相同。

由加州大学圣地亚哥分校电子与计算机工程系教师 Duygu Kuzum 领导的研究小组在 12 月 26 日出版的《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上详细介绍了他们的研究成果。Kuzum 团队与来自波士顿大学 Anna Devor 实验室、加州大学圣地亚哥分校 Alysson R. Muotri 实验室和索尔克研究所 Fred H. Gage 实验室的研究人员进行了合作。

人类大脑皮层器质性组织来源于人类诱导多能干细胞，而诱导多能干细胞本身通常来源于皮肤细胞。这些脑器质性组织最近已成为研究人类大脑发育以及一系列神经系统疾病的有前途的模型。

但直到现在，还没有一个研究小组能够证明，植入小鼠大脑皮层的人脑器官能够具有相同的功能特性，并以相同的方式对刺激做出反应。这是因为记录大脑功能的技术有限，通常无法记录仅持续几毫秒的活动。

加州大学圣迭戈分校领导的团队通过开发实验，将透明石墨烯制成的微电极阵列与双光子成像技术相结合，解决了这一问题，双光子成像技术是一种显微镜技术，能对厚度达一毫米的活体组织成像。

加州大学圣迭戈分校博士生麦迪逊-威尔逊（Madison Wilson）是这项研究的第一作者，她的研究表明，植入小鼠体内的人脑器官与动物大脑皮层建立了功能连接，并对外部感官刺激做出反应。图片来源：David Baillot/加州大学圣地亚哥分校

"论文第一作者、加州大学圣地亚哥分校库祖姆研究小组的博士生麦迪逊-威尔逊（Madison Wilson）说："没有其他研究能够同时进行光学和电学记录。"我们的实验显示，视觉刺激会唤起器官组织的电生理反应，与周围皮层的反应相匹配。

研究人员希望，这种结合创新神经记录技术来研究有机体的方法将成为一个独特的平台，以全面评估有机体作为大脑发育和疾病模型的情况，并研究它们作为神经假体的用途，以恢复丧失、退化或受损大脑区域的功能。

"库祖姆说："这种实验装置为研究人类神经网络层面的功能障碍、潜在的脑发育疾病提供了前所未有的机会。

库祖姆的实验室于2014年首次开发出透明石墨烯电极，此后一直在推进这项技术。研究人员使用铂纳米粒子将石墨烯电极的阻抗降低了 100 倍，同时保持其透明性。低阻抗石墨烯电极能够在宏观尺度和单细胞水平上对神经元活动进行记录和成像。

通过将这些电极阵列置于移植的类器官之上，研究人员能够实时记录植入类器官和周围宿主皮层的神经活动。利用双光子成像技术，他们还观察到小鼠血管长入类器官，为植入物提供必要的营养和氧气。

在双光子显微镜下，研究人员对植入类器官的小鼠施加了视觉刺激--一个光学白光LED。他们在器官上方的电极通道中观察到了电活动，表明器官对刺激的反应与周围组织相同。电活动通过功能连接从植入的类器官区域中最靠近视觉皮层的区域传播出去。

研究人员在类器官上方的电极通道中观察到了电活动，表明类器官对刺激的反应与周围组织相同。图片来源：David Baillot

此外，他们的低噪声透明石墨烯电极技术还能对类器官和周围小鼠皮层的尖峰活动进行电记录。

(责任编辑：泉水)

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