日本科学家在实验室成功构建出人类脑神经回路

该研究发表于《美国国家科学院院刊》。

为什么大脑皮层神经回路如此重要
大脑皮层包含多种不同类型的神经元，它们必须彼此以及与其他脑区有效通信。这些连接对感知、思考和认知等核心脑功能至关重要。在自闭症谱系障碍（ASD）等神经发育疾病患者中，这些皮层回路的发育或功能常出现异常。因此，了解神经回路如何形成和成熟，对于揭示这些疾病的生物学根源和开发新疗法至关重要。

丘脑及其在脑连接中的作用
早期对啮齿动物的研究表明，丘脑在皮层神经回路的组织中起重要作用。然而，在人类大脑回路形成过程中丘脑和皮层如何相互作用，很大程度上仍不清楚。由于获取脑组织存在伦理和技术限制，直接在人体中研究这一过程十分困难。为克服这些挑战，科学家们转向类器官——由干细胞培养的三维结构，类似真实器官。

从类器官到融合类器官
尽管类器官有用，但单个类器官无法捕捉不同脑区之间的复杂相互作用。为更真实地研究神经回路形成，研究人员使用融合类器官——通过物理结合两个或多个类器官制成。名古屋大学药学研究科的Fumitaka Osakada教授、研究生Masatoshi Nishimura及其同事开发了模拟丘脑和皮层相互作用的融合类器官。该团队首先从人类诱导多能干细胞（iPS细胞）生成单独的皮层类器官和丘脑类器官，然后将这些类器官融合，从而观察两个脑区在发育过程中的相互作用。

酷似真实的微型脑回路
研究人员观察到，丘脑的神经纤维向皮层生长，而皮层的纤维向丘脑延伸。这些纤维相互形成突触，与人类大脑中的连接极为相似。为评估这种相互作用对发育的影响，团队比较了融合类器官皮层区域与单独皮层类器官的基因表达。与丘脑相连的皮层组织显示出更高的成熟度迹象，表明丘脑-皮层通信促进皮层生长和发育。

丘脑信号驱动神经同步
科学家们还研究了信号如何在融合类器官中传播。他们发现神经活动以波状模式从丘脑扩散到皮层，在皮层网络中产生同步活动。为了解涉及哪些神经元，团队测量了三种主要皮层兴奋性神经元的活动：端脑内（IT）神经元、锥体束（PT）神经元和皮层丘脑（CT）神经元。PT和CT神经元（两者均向丘脑发送信号）中观察到同步活动，而不投射到丘脑的IT神经元则未显示相同同步。这表明丘脑输入选择性地增强特定神经元类型，帮助它们形成协调网络并实现功能成熟。

研究脑疾病的新工具
通过使用融合类器官成功重建人类神经回路，研究人员建立了一个强大的新平台，用于研究脑回路如何形成、功能以及不同细胞类型间的差异。Osakada解释了这项工作的更广泛意义：“通过重现人类大脑，我们在理解人类大脑的建构主义方法上取得了重大进展。我们相信这些发现将有助于加速揭示神经和精神疾病的潜在机制，以及新疗法的开发。”