「石墨烯」結合「雙光子」成像技術,深入觀測人類類大腦運作功能!

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近 10 年來類器官(organoid)研究飛速進展,這項工具不僅可以模擬生物體中細胞與組織構造的正常生理功能,被廣泛用於疾病與發育研究,也被用在藥物篩選上,可以大幅降低進行藥物反應和敏感性測試的成本。而為了更深入了解人腦複雜功能,近期科學家也紛紛嘗試將人腦類大腦植入小鼠腦部,並結合特殊成像裝置,對於觀察掌握腦部的電訊號傳遞功能更邁進一步。

一項近期由 University of California San Diego 團隊執行將人腦植入小鼠腦部皮質的研究,是首度結合顯微呈像系統的創新類器官應用。在類器官植入後 3 個月內,就能實現即時觀測腦部對外在感官刺激做出反應的成果,發表於 Nature Communications 期刊。

石墨烯電極技術推進腦部類器官研究

人類的皮質類器官通常由人類 iPS 細胞誘導形成,而幹細胞來源多源自皮膚細胞。儘管大腦類器官已逐漸成為人腦發育研究與中樞神經疾病的重要工具,不過其實人腦類器官在植入動物小鼠後功能特性是否改變,始終沒有足夠的實驗證據可以證明。因為大腦電訊號的傳遞時間區隔相當短,僅持續幾毫秒,在缺乏適當可以追蹤、紀錄大腦功能的技術限制下,構成大腦類器官的研究瓶頸。

University of California San Diego 工程學系 Kuzum 博士團隊在 2014 年首次提出透明石墨烯電極(graphene electrode)技術,對於即時追蹤腦部對電極刺激的反應帶來重大貢獻。和傳統電極材料相比,石墨烯更輕、更薄,有利貼附在腦部組織,此外,石墨烯是透明的,不會阻礙觀測神經細胞。

該技術將石墨烯電極以奈米鉑(platinum)包覆,成功將電極阻抗降低 100 倍同時保持電極的透明度。其不僅能在組織層次上觀測神經元活動,也可以針對單一細胞觀測。

類大腦與小鼠大腦皮質功能整合

在石墨烯電極的技術基礎上,團隊又再加入雙光子(two-photon)成像輔助技術,讓小鼠在些受到 LED 燈照明的視覺刺激時,可以觀察到電極通道上的電訊號活動,結果證實類器官對視覺刺激的反應與周圍組織相同,電訊號會穿過類大腦最靠近視覺皮質區域傳播。

研究團隊再透過石墨烯電極進行類大腦和周圍皮層的電訊號紀錄,顯示當 gamma 震盪波段增加、以及相位鎖定(phase locked)類大腦的神經訊號峰值時,小鼠類大腦和周圍皮質的震盪波段減慢。類大腦植入 3 週後,與周圍皮質組織的突觸(synaptic)連結,能從小鼠大腦接收訊號。再到 11 週後,類大腦與小鼠皮質功能和形態都更完整整合,小鼠血管長入類大腦中提供血液與養分。

接下來研究人員會進行更長時間的實驗追蹤,也會結合鈣成像(calcium imaging)技術觀察神經細胞的活動。不論如何,團隊表示這項研究已經寫下同時觀測類大腦光學、電學反應的新紀錄。

延伸閱讀:類人腦移植入新生大鼠!史丹佛新研究有望成為新興人腦疾病研究平台

參考資料:
1. https://today.ucsd.edu/story/human-brain-organoids-implanted-into-mouse-cortex-respond-to-visual-stimuli-for-first-time

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