Science：創建人腦「入口」，解析唐氏綜合征對大腦的影響

在最新一項對人腦發育機制的研究中，來自帝國理工學院與劍橋大學的研究人員通過將人類腦細胞移植到小鼠大腦，首次觀察到了腦細胞是如何生長和相互連接的。該小組稱，這一方法或可用於未來一系列大腦狀況，包括精神分裂症、痴呆及孤獨症的研究。

DOI：10.1126/science.aau1810

研究以「In vivo modeling of human neuron dynamics and Down syndrome」為題發表在《Science》雜誌。

儘管來自唐氏綜合征患者的腦細胞之間形成的一些連接更加穩定和豐富，但是它們以一種稍不協調的方式進行通信。這提示，在唐氏綜合征中，腦細胞之間形成連接的協調活動減少和穩定性增加或與認知功能有關。

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雙光子顯微鏡技術實時監察腦細胞

這項研究的重要突破在於解析了腦細胞交流的細節。腦細胞之間的連接通常是痴呆和帕金森症等疾病發生中首個受損的地方，發生於腦細胞自身開始死亡之前很久，然而這些細胞之間的連接非常微小，且沒有任何類型的掃描工具比如核磁共振成像（MRI）或正電子放射斷層造影術（PET）可以觀察到它們。研究人員使用了一種革命性的顯微鏡技術——體內雙光子顯微鏡（in vivo 2-photon microscopy），該技術不僅可以看到單個活腦細胞，還可以看到它們之間形成的連接。

具體來說，研究人員通過使用由兩名唐氏綜合征患者捐獻的細胞構建出唐氏綜合征模型。作者之一Manuel Peter博士及其同事通過反向工程（Reverse Engineering，RE）皮膚細胞創造了人類腦細胞。這個過程包括從患有唐氏綜合征的志願者身上提取一些皮膚細胞，然後在實驗室中對它們進行重編程而產生誘導性多能幹細胞（iPS細胞），接著利用iPS細胞產生腦細胞。他們對這些腦細胞進行改造，以便能夠監控它們的活動。

聯合第一作者Raquel Real博士和Antonio Trabalza博士隨後將這些人類神經元植入活小鼠的大腦，並隨著時間的推移監測它們的發育和功能。

移植的人類腦細胞(綠色)和細胞核(紫色)。圖片來源:Science，10.1126/science.aau1810

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結果及意義

通訊作者De Paola博士解釋道:「人類腦細胞不僅形成了複雜的網路，而且開始以與正常腦細胞非常相似的方式進行交流。我們原本僅期望少許人類腦細胞能在小鼠大腦中生長，但我們驚訝地看到人類腦細胞開始茁壯成長，且很快就能共同交流和工作。」

「這是一次了不起的團隊努力，我們的結果表明唐氏綜合征中協調活動減少和連接穩定性增強可能與認知功能有關。弄清楚這一點將是解決難題的重要一部分，我們期望儘快找到答案。」 De Paola進一步解釋。

Raquel Real補充道:「人類腦細胞的移植使我們能夠隨著時間的推移監測它們的成熟。最終，我們發現唐氏綜合征個體的細胞在發育的關鍵階段不如正常細胞活躍，這可能對這種疾病的某些癥狀有重要影響。」

需要強調的是，目前尚不清楚移植的人類腦細胞在多大程度上類似於人腦中相應細胞的組織和複雜性，需要通過進一步的實驗對此進行研究。該小組希望改進這項技術，未來或可利用這種方法來研究其他神經系統疾病。

責編：浮蘇

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參考資料：1）Human brain cell transplant offers insights into neurological conditions

2）In vivo modeling of human neuron dynamics and Down syndrome

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