近 10 年来类器官（organoid）研究飞速进展，这项工具不仅可以模拟生物体中细胞与组织构造的正常生理功能，被广泛用于疾病与发育研究，也被用在药物筛选上，可以大幅降低进行药物反应和敏感性测试的成本。而为了更深入了解人脑复杂功能，近期科学家也纷纷尝试将人脑类大脑植入小鼠脑部，并结合特殊成像装置，对于观察掌握脑部的电讯号传递功能更迈进一步。
一项近期由 University of California San Diego 团队执行将人脑植入小鼠脑部皮质的研究，是首度结合显微呈像系统的创新类器官应用。在类器官植入后 3 个月内，就能实现即时观测脑部对外在感官刺激做出反应的成果，发表于 Nature Communications 期刊。
石墨烯电极技术推进脑部类器官研究
人类的皮质类器官通常由人类 iPS 细胞诱导形成，而干细胞来源多源自皮肤细胞。尽管大脑类器官已逐渐成为人脑发育研究与中枢神经疾病的重要工具，不过其实人脑类器官在植入动物小鼠后功能特性是否改变，始终没有足够的实验证据可以证明。因为大脑电讯号的传递时间区隔相当短，仅持续几毫秒，在缺乏适当可以追踪、纪录大脑功能的技术限制下，构成大脑类器官的研究瓶颈。
University of California San Diego 工程学系 Kuzum 博士团队在 2014 年首次提出透明石墨烯电极（graphene electrode）技术，对于即时追踪脑部对电极刺激的反应带来重大贡献。和传统电极材料相比，石墨烯更轻、更薄，有利贴附在脑部组织，此外，石墨烯是透明的，不会阻碍观测神经细胞。
该技术将石墨烯电极以奈米铂（platinum）包覆，成功将电极阻抗降低 100 倍同时保持电极的透明度。其不仅能在组织层次上观测神经元活动，也可以针对单一细胞观测。
类大脑与小鼠大脑皮质功能整合
在石墨烯电极的技术基础上，团队又再加入双光子（two-photon）成像辅助技术，让小鼠在些受到 LED 灯照明的视觉刺激时，可以观察到电极通道上的电讯号活动，结果证实类器官对视觉刺激的反应与周围组织相同，电讯号会穿过类大脑最靠近视觉皮质区域传播。
研究团队再透过石墨烯电极进行类大脑和周围皮层的电讯号纪录，显示当 gamma 震荡波段增加、以及相位锁定（phase locked）类大脑的神经讯号峰值时，小鼠类大脑和周围皮质的震荡波段减慢。类大脑植入 3 周后，与周围皮质组织的突触（synaptic）连结，能从小鼠大脑接收讯号。再到 11 周后，类大脑与小鼠皮质功能和形态都更完整整合，小鼠血管长入类大脑中提供血液与养分。
接下来研究人员会进行更长时间的实验追踪，也会结合钙成像（calcium imaging）技术观察神经细胞的活动。不论如何，团队表示这项研究已经写下同时观测类大脑光学、电学反应的新纪录。
延伸阅读：类人脑移植入新生大鼠！史丹佛新研究有望成为新兴人脑疾病研究平台©www.geneonline.news. All rights reserved. 基因线上版权所有 未经授权不得转载。合作请联系：service@geneonlineasia.com
