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在实验室皿中的脑类器官。
如脑电图（EEG）所捕获的那样，一个月大的9个月大的大脑和早产儿的大脑会产生类似的电信号，这是在基于细胞的实验室模型中首次实现这种大脑活动。
脑类器官-也称为迷你脑-是3D细胞模型，代表实验室中人脑的各个方面。脑类器官帮助研究人员追踪人类发育，揭示导致疾病的分子事件并测试新疗法。当然，它们并不是完美的复制品。脑类器官没有复制认知功能，但是研究人员可以检查类器官的物理结构或基因表达随时间或由于病毒或药物而变化的方式。
加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员现在将大脑类器官更进一步，实现了前所未有的水平的神经网络活动-可通过多电极阵列记录的电脉冲。研究小组利用来自早产三个半月的婴儿的数据，开发了一种算法，可以根据脑电图预测年龄。然后，该算法以相同的方式读取实验室生长的大脑类器官，并为其指定年龄。
九个月大的大脑类器官的电脉冲模式显示出与足月（妊娠40周）的早产婴儿相似的特征。
这些新的优化的大脑类器官，在2019年8月29日的《细胞干细胞》（Cell Stem Cell）中进行了描述，这可能使研究人员有可能研究并非由生理变化引起或导致明显生理变化而涉及脑细胞网络紊乱的精神疾病活动，例如自闭症或癫痫病。对于这些条件中的许多条件，没有相关的实验室或动物模型。
加州大学圣地亚哥分校圣地亚哥分校的儿科学与细胞和分子医学教授，合著者Alysson R. Muotri博士说：“起初我们不敢相信-我们以为我们的电极出现了故障。”“由于数据如此惊人，我认为许多人对此表示怀疑，这是可以理解的。”Muotri领导了这项研究，他是加州大学圣地亚哥分校社会科学系认知科学副教授Bradley Voytek博士。
脑类器官的构建始于一个可能令人惊讶的来源：成人皮肤样本。在实验室中，研究人员将皮肤细胞转化为诱导性多能干细胞（iPSC）。像大多数干细胞一样，借助适当的分子因子混合物，iPSC可以定向为专门用于任何细胞类型。在这种情况下，它们成为脑细胞-例如，不同类型的神经元和神经胶质细胞。
在圣地亚哥加州大学，脑类器官被用于产生第一个直接的实验证据，证明巴西兹卡病毒可导致严重的先天缺陷，并将现有的HIV药物重新用于罕见的遗传性神经系统疾病。Muotri和他的团队最近还把他们的大脑类器官送到国际空间站，以测试微重力对大脑发育的影响-也许还有地球以外人类的生命前景。
在最新研究中，Muotri及其同事优化了大脑类器官构造的每个步骤。例如，它们从单个单元格开始，而不是大多数协议中使用的成簇的单元格。他们还调整了促使大脑细胞组织形成的因素的精确时机和集中度。他说，这不是一个秘密的要素或创新，而是随着时间的推移有几处改进。
在蜂窝性和蜂窝网络活动方面，优化获得了回报。例如，研究小组检测到了一种特定的灵长类特定神经元，称为皮质GABA能神经元，这种神经元以前从未在实验室培养皿中产生过。根据Muotri的说法，这些细胞在复杂的神经网络中扮演着重要的角色。
为了测量细胞网络活动，研究人员在多电极阵列上生长了新近优化的脑器官。电极捕获并记录电脉冲，这些电脉冲在EEG读数中以波和尖峰的形式出现。有了新的协议，大脑的类器官就从每分钟产生3,000个峰值到每分钟300,000个峰值。
在人类中，随着脑细胞连通性的发展，振动会随着年龄而变化。刚出生的婴儿的大脑在电活动高峰之间往往有一段休息时间（无波动）。随着大脑的发展，那些安静的时期越来越短。随着时间的流逝，尽管水平有所变化，但大脑活动却变得恒定。这些脑震荡模式通常与人类的认知和疾病状态相关。
Muotri和他的团队将他们的大脑类器官电模式与一个公开的数据集进行了比较，该数据集来自39个早产儿，妊娠24至38周以及出生后数周的567个EEG记录。从最初的几天到九个月，大脑的类器官产生了类似水平的电活动，遵循类似的模式：安静时间更少，电脉冲频率更高。
Alysson Muotri实验室在UC圣地亚哥干细胞计划中进行的一项研究的详细概述，发现在人类皮层类器官中复杂的网络信号正在发育，似乎可以重现胎儿的大脑发育，从而提供了一种体外模型来研究人类神经元的功能发育网络。
Muotri说他经常被问到这项工作的伦理含义，并提出以下问题：“我们离重建人类大脑太近了吗？”他解释说，这些大脑类器官在许多方面与人脑有很大不同。例如，它们比成人大脑小几倍。他们没有半球或血管。而且它们没有被保护性头骨包围或与其他组织相连。
Muotri说：“即使是婴儿，它们的功能也远不及完整的皮质。” Muotri说，他也是加州大学圣地亚哥分校干细胞计划的负责人，也是桑福德再生医学联盟的成员。“实际上，我们还没有一种方法可以衡量意识或情感。”
Muotri的大脑类器官可以在实验室中生存数年，但其活动却在9个月后趋于平稳。他说，可能有许多原因，包括缺乏血管或需要其他神经元才能继续成熟。
Muotri说，更好的大脑类器官可以在实验室中复制人的大脑，研究人员需要依靠动物模型和胎儿组织来更好地了解和治疗人类疾病的研究也就越少。
他说：“我们的工作尚未取代对人类胎儿脑组织的研究需求，但它作为一种潜在的替代品非常有吸引力。”
合著者包括：Cleber A.Trujillo，Richard Gao，Priscilla D.Negraes，Gugu，Justin Buchanan，Sebastian Preissl，Allen Wang，Wu Wu，Gabriel G.Haddad，Isaac A.Chaim，Alain Domissy，Matthieu Vandenberghe，加州大学圣地亚哥分校; Anna Devor，加州大学圣地亚哥分校和哈佛医学院； Yeon，圣地亚哥加州大学，科学，技术和研究机构，以及新加坡国立大学。
这项研究部分由美国国立卫生研究院（拨款R01MH108528，R01MH094753，R01MH109885，R01MH100175，R56MH109587，K12GM06852，U19MH1073671），国家科学基金会（拨款1736028），加利福尼亚再生医学研究所（CIRM授予DISC1-08825， DISC2-09649），西蒙斯基金会（SFARI资助345469），脑与行为研究基金会（NARSAD独立研究者资助），斯隆研究奖学金，白厅基金会（授权2017-12-73），加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC） PGS-D），加州大学圣地亚哥分校卡夫利分校创新研究基金，创新学者前沿计划和卡津奖。
披露：Alysson Muotri是TISMOO的共同创始人，并拥有TISMOO的股权，该公司致力于基因分析和脑器官模拟，专注于针对自闭症谱系疾病和其他遗传性神经疾病定制的治疗应用。杨Ye（Gene Yeo）是Locana和Eclipse BioInnovations的联合创始人，董事会成员和科学顾问委员会成员，股权持有人和有偿顾问。Yeo还是新加坡国立大学的客座教授。这些安排的条款已由加利福尼亚大学圣地亚哥分校根据其利益冲突政策进行审查和批准。
参考：Cleber A. Trujillo，Richard Gao，Priscilla D. Negraes，Guing Gu，Justin Buchanan，Sebastian Preissl，Allen Wang，Wei Wu，Gabriel G. Haddad，Isaac撰写的“从皮质类器官产生的复杂振荡波为人类大脑网络的早期发展建模” A.Chaim，Alain Domissy，Matthieu Vandenberghe，Anna Devor，Gene W.Yeo，Bradley Voytek和Alysson R.Mutri，2019年8月29日，干细胞。
DOI：10.1016 / j.stem.2019.08.002
