美國時間26日，來自加州大學聖地牙哥分校(UCSD)、波士頓大學和沙克研究所(Salk Institute)的生物電機跨域研究團隊發表最新成果。他們在移植了人類腦類器官(organoid)的老鼠模型中，確定了兩種物種之間的腦組織能夠產生功能性連結，並對外界視覺刺激產生反應。
 
此外，科學家還使用結合了透明石墨烯和雙光子影像的創新實驗裝置，透過即時量測，證明植入的類器官對視覺刺激的反應，與其周遭的鼠腦組織相似，且測量時間可以長達11週，相較於過去通常只能持續數毫秒，可說是大突破。這項研究發表在《Nature Communications》。
 
研究團隊表示，由於腦功能紀錄技術的限制，目前還沒有其他研究團隊，能夠證明人類腦類器官在植入老鼠腦皮層之後，能夠展現相同的功能特性(functional properties)，或是對外界刺激產生相同的反應。
 
不過，在這項研究中，團隊利用透明石墨烯製作的微電極陣列，加上雙光子影像組成的顯微技術，能夠同時透過光學、電學量測，偵測並拍攝人/鼠腦組織的交界區域，可捕捉的厚度達到1毫米。
 
研究團隊表示，透過這種創新的紀錄技術，將能全面的針對類器官進行分析與評估，不僅可應用在腦部發育及疾病的實驗模組，還能探索這種神經組織是否能夠作為「義肢」，用以修復已受損、退化或缺失的腦區。
 
領導此研究的UCSD電機工程教授Duygu Kuzum表示，這種實驗裝置開啟了前所未有的機會，從網絡層次(network-level)探索人類神經功能失常，解開潛藏在腦部發育疾病背後的機制。
 
Kuzum實驗室在2014年首次開發出透明石墨烯電極，其利用鉑奈米粒子降低石墨烯電極的阻抗，同時又保持透明性。在這項研究中，這種裝置使科學家能從宏觀或是單細胞層級，紀錄、捕捉神經元的活動情形，且透過雙光子影像，他們還看見了小鼠血管伸入人腦移植物中，提供移植組織所需的氧氣及養分。
 
接著，研究團隊利用白光LED，為移植人腦組織的老鼠提供視覺刺激。在雙光子顯微鏡下，他們觀察到類器官上電極通道的電活動，顯示出類器官出現與周遭組織相同的刺激反應，且電活動通過功能性連結，經由植入類器官區域中最靠近視覺皮層的區域中傳遞。
 
此外，石墨烯電極也紀錄了人/鼠腦組織交界處的電活動，並記錄到人腦類器官伽馬震盪波(gamma oscillations)的功率增加，以及鎖相環突波(phase locking of spikes)，但在鼠腦視覺皮層震盪較慢。這些現象顯示，類器官已經與周遭的鼠腦皮層發展出神經連結，並能接收到來自鼠腦的功能輸入。
 
研究團隊表示，這種結合幹細胞和神經活動紀錄的技術，將能用於在疾病模擬、利用患者的類器官組織測試候選療法，或是評估類器官的修復受損腦區的潛力。他們接下來將會進行更多實驗，例如追蹤兩種組織之間的軸突投射(axon projection)，並嘗試將鈣離子影像整合進去，以將類器官神經元的突波活動(spike activity)視覺化。
 
參考資料：
https://today.ucsd.edu/story/human-brain-organoids-implanted-into-mouse-cortex-respond-to-visual-stimuli-for-first-time
原始研究：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-35536-3
 
(編譯 / 吳培安)