Cell重磅：首次体外培养出能驱动自主运动的神经回路，融合了皮层、脊髓和骨骼肌

来源：brainnews

斯坦福大学医学院的研究人员培养出了一个负责自主运动的人类神经细胞回路工作模型，这在科学界当属首次。

研究人员从人类干细胞中提取出了代表大脑皮层、脊髓和骨骼肌的三类组织，这三类组织也就是回路的三个组成成分，并且使这三类组织在培养皿中自我“组装”。

这一进展有望加速对各类神经系统疾病的研究。与此同时，该研究结果也表明大脑可以在实验室的玻璃器皿中与身体的部位融合，从而组成一个神经回路，并且该回路能够发挥其应有的作用。

研究人员在一个培养皿中组装了一个人类大脑至肌肉的神经回路工作模型。 版权归属于: Jimena Anderson/Pasca实验室

如果人体中负责将指令从大脑传递到骨骼肌的神经回路发生了中断，那么可能会导致个体瘫痪和死亡。科学家们试图通过对实验室中动物的研究，了解人类的神经肌肉损伤，但是由于神经回路种间差异的存在，他们的研究也遇到了阻碍。

精神病学和行为科学副教授Sergiu Pasca说：“ALS已经在啮齿类动物身上治愈了几十次，”这里的ALS是肌萎缩性脊髓侧索硬化症（又称Lou Gehrig症）“但是没有一种疗法能有效地治愈人类ALS。但是现在我们可以利用患者自身的细胞生成个性化的工作模型，这将帮助我们在培养皿中对这些疾病进行研究。”

组合体

斯坦福大学团队依赖人类诱导性多能干细胞（iPS细胞），建立了大约三分之一英寸长的模型，Pasca称该模型为组合体。这项研究结果发表在12月16日的《细胞》杂志上。Pasca是这项研究的首席作者，也是Bonnie Uytengsu家族成员和斯坦福大学脑器官发生项目的主管。这篇研究的主要作者是Jimena Anderson博士。

Pasca的研究小组通过以往的研究，已经制造出了非常接近大脑皮层结构及生理机能的微型球体。而在这项新研究中，科学家们调整了他们的制作方法，制造出了另外两种类似于脊髓组织和骨骼肌的球体。

而这三种球体代表了控制自主运动回路的三个关键组成成分。以脊椎球体为中心将三类球体一个挨着一个地放置在培养皿中，那么这些球体就会逐渐融合在一起。

Pasca和他的同事们证明，回路之间能进行精确的组装：来自皮质球体的神经元能与支配肌肉组织的脊髓球状运动神经元相连。“我们只是制造出了零件，” Pasca说，“但是这些零件自己知道如何组装起来。”

引发肌肉抽搐

但是这些回路真的能够产生工作连接吗？刺激皮质神经细胞是否真的能导致肌肉组织收缩呢？

科学家们运用实验室技术发现，刺激皮质球体会引发骨骼肌球体的抽搐。

“骨骼肌在通常情况下是不会自主收缩的，” Pasca说。“所以说，当我们在实验室的培养皿中看到骨骼肌在大脑皮层受到刺激后马上发生第一次抽搐的那一刻，是我们永远都不会忘记的一刻。”

Pasca说，这些组合体融合在一起后至少10周内仍然能完全发挥其功能。“并且值得注意的是，这些组合体保持完好的时间越长，它们的收缩效果就越好。”他说道。

Pasca的研究小组正在与微生物学和免疫学副教授Jan Carette博士领导的团队合作，利用这些组合体来解开脊髓灰质炎病毒以及其他受体只存在于灵长类动物中的致残性脊髓灰质炎病毒的病理学之谜。

球体之间究竟有多少种组合，没有明确的限制。Pasca的研究团队在12月3日发表于《自然生物技术》上的一项研究中，将一个皮质球体与另一个代表纹状体的球体融合在一起（纹状体是一个大脑结构，是控制人体愉悦感和动机行为的枢纽）。Pasca说，这种组合体可能有助于我们对精神分裂症、抑郁症和成瘾的病因进行研究。