一組工程師和神經科學家首次表明，植入小鼠體內的大腦器官形成了與小鼠大腦皮層的功能連接，並對外部感官刺激作出反應。該團隊觀察到有機體對視覺刺激的反應與周圍組織相似，這要歸功於一種透明的石墨烯微電極陣列和雙光子成像系統，這種顯微鏡技術可以對厚度達一毫米的活體組織實施成像，並允許在長達幾個月的時間內進行實時監測。

這項研究最近發表在《自然通訊》雜誌上，由加州大學聖地亞哥分校電子和計算機工程系的研究員Duygu Kuzum領導，合作者包括來自波士頓大學Anna Devor實驗室、加州大學聖地亞哥分校Alysson R. Muotri實驗室和索爾克研究所Fred H. Gage實驗室的研究人員。

加州大學聖地亞哥分校的博士生麥迪遜-威爾遜是這項研究的第一作者，該研究顯示，植入小鼠體內的人腦器官已經與動物的大腦皮層建立了功能連接，並對外部感官刺激做出了反應。資料來源：David Baillot/加州大學聖地亞哥分校

人類皮層器官來自於人類誘導多能幹細胞，這些細胞通常來自於皮膚細胞。這些大腦器官最近成為研究人類大腦發育以及一系列神經系統疾病的頗有前景的模型。

但直到現在，還沒有一個研究小組能夠證明植入小鼠皮層的人腦器官能夠擁有相同的功能特性，並以相同的方式對刺激作出反應。這是因為用於記錄大腦功能的技術是有限的，通常無法記錄持續時間只有幾毫秒的活動。

研究人員在有機體上方的電極通道中觀察到電活動，顯示有機體對刺激的反應與周圍組織相同。資料來源：David Baillot

論文第一作者、加州大學聖地亞哥分校Kuzum研究小組的博士生Madison Wilson說：”沒有其他研究能夠同時進行光學和電學記錄。我們的實驗顯示，視覺刺激在器官中喚起電生理反應，與周圍皮層的反應相匹配。”

研究人員希望這種結合創新的神經記錄技術來研究有機體將成為一個獨特的平台，以全面評估有機體作為大腦發育和疾病的模型，並研究它們作為神經修復體來恢復失去的、退化的或受損的大腦區域的功能。

研究人員能夠檢測和成像移植的人腦器官和小鼠大腦之間的邊界。資料來源：麥迪遜-威爾遜/聖地亞哥大學

Kuzum說：”這個實驗裝置為調查人類神經網絡層面的功能障礙開闢了前所未有的機會，這些功能障礙是發育性大腦疾病的基礎。”

Kuzum的實驗室在2014年首次開發了透明石墨烯電極，此後一直在推進這項技術。研究人員使用鉑金納米粒子將石墨烯電極的阻抗降低了100倍，同時保持其透明。低阻抗的石墨烯電極能夠在宏觀和單細胞水平上記錄和成像神經元活動。

通過將這些電極陣列放在移植的有機體上，研究人員能夠實時記錄植入的有機體和周圍宿主皮層的神經活動。利用雙光子成像，他們還觀察到小鼠血管長入類器官，為植入物提供必要的營養和氧氣。

研究人員對植入類器官的小鼠施加了視覺刺激–光學白光LED，同時小鼠處於雙光子顯微鏡下。他們在有機體上方的電極通道中觀察到電活動，表明有機體對刺激的反應與周圍組織相同。電活動從最接近視覺皮層的區域通過功能連接傳播到植入的有機體區域。

此外，他們的低噪音透明石墨烯電極技術能夠從類器官和周圍的小鼠皮層中電記錄尖峰活動。石墨烯記錄顯示，伽馬振蕩的功率增加，以及來自類器官的尖峰與小鼠視覺皮層的慢速振蕩的相位鎖定。這些發現表明，在植入三週後，有機體已經與周圍的大腦皮層組織建立了突觸連接，並接受了來自小鼠大腦的功能輸入。研究人員將這些慢性多模態實驗持續了11週，並顯示植入的人腦器官與宿主小鼠的大腦皮層在功能和形態上的整合。

接下來的步驟包括涉及神經疾病模型的更長時間的實驗，以及在實驗裝置中加入鈣成像，以可視化類器官神經元的尖峰活動。其他方法也可用於追踪類器官和小鼠皮層之間的軸突。

Kuzum說：”我們設想，沿著這條路走下去，這種干細胞和神經記錄技術的組合將被用於在生理條件下建立疾病模型；檢查病人特定器官的候選治療方法；以及評估器官恢復特定損失、退化或受損腦區的潛力。”