大突破!UCSD首次光電量測 證明人腦類器官移植鼠腦皮層可行性  

撰文記者 吳培安
日期2022-12-30
(圖片來源:pixabay)

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)