迷你大脑揭示精神分裂症和双相情感障碍的明确脑信号

该研究成果最终可能帮助医生减少精神疾病诊断和治疗中的失误。如今，许多精神疾病的诊断仅依靠临床判断，治疗则采用试错法用药。该研究发表在《APL生物工程》期刊上。

为何精神分裂症和双相情感障碍难以诊断
约翰·霍普金斯大学生物医学工程师、该研究负责人安妮·卡图里亚表示：“精神分裂症和双相情感障碍很难诊断，因为大脑没有特定部位出现异常，也没有像帕金森病那样特定的酶异常——帕金森病虽是另一种神经系统疾病，医生仍可基于多巴胺水平进行诊断和治疗，尽管目前尚无根治方法。我们希望未来不仅能通过脑类器官确认患者是否患有精神分裂症或双相情感障碍，还能在类器官上测试药物，找出有助于患者恢复健康状态的药物浓度。”

科学家如何构建和研究脑类器官
为开展研究，卡图里亚团队构建了脑类器官——真实人体器官的简化版本。他们首先将精神分裂症患者、双相情感障碍患者以及健康人的血液和皮肤细胞转化为干细胞，这些干细胞能够发育成类似脑组织的结构。

随后，团队利用机器学习工具分析这些“迷你大脑”内部细胞的电活动。在人类大脑中，神经元通过发送短暂的电信号相互交流，研究人员重点识别与健康和不健康脑功能相关的电活动模式。

电生物标志物识别精神疾病
科学家发现，脑类器官电活动的特定特征可作为精神分裂症和双相情感障碍的生物标志物。仅利用这些信号，他们就能以83%的准确率识别出哪些类器官来自患病患者。当对组织施加温和的电刺激以激发更多神经活动时，准确率提升至92%。

他们发现的模式复杂且高度特异。精神分裂症和双相情感障碍患者的神经元在多项电测量中表现出异常的放电峰值和时间变化，为每种疾病形成了独特的“特征信号”。

卡图里亚说：“至少在分子层面，我们可以检查在培养皿中培养这些‘大脑’时哪里出了问题，并基于这些电生理特征区分健康人、精神分裂症患者或双相情感障碍患者的类器官。我们追踪神经元在发育过程中产生的电信号，并与没有这些精神疾病患者的类器官进行比较。”

利用微芯片绘制脑活动图谱
为更好地了解神经元如何形成网络，研究人员将类器官放置在配备网格状多电极阵列的微芯片上。这种设置使他们能够以类似于微型脑电图（EEG）的方式收集数据，脑电图是医生用于测量患者脑活动的测试。

完全发育后，类器官直径约为3毫米，包含多种通常存在于大脑前额叶皮层（参与高级思维的区域）的神经细胞，还能产生髓鞘——一种绝缘神经细胞并帮助电信号更高效传导的物质。

迈向个性化精神疾病治疗
该研究仅包含12名患者的样本，但卡图里亚认为研究结果指向了有意义的临床应用。脑类器官最终可能成为精神疾病药物的测试平台，在药物开给患者前进行测试。

该团队目前正与约翰·霍普金斯医学院的神经外科医生、精神病学家和神经科学家合作，收集更多精神疾病患者的血液样本，以研究不同药物浓度对类器官活动的影响。即使样本数量有限，研究人员认为他们或许能提出有助于恢复更健康神经模式的药物剂量建议。

卡图里亚说：“大多数医生给患者开这些药时都采用试错法，可能需要六七个月才能找到合适的药物。氯氮平是治疗精神分裂症最常用的药物，但约40%的患者对其耐药。借助我们的类器官，或许不必经历试错阶段，或许能更快给患者开出合适的药物。”