哈佛大学提出「片上多区域大脑」:建模大脑不同区域之间的连接

研究者研发出了一种对大脑三个不同区域的连接建模的「片上多区域大脑(multiregional brain-on-a-chip)」。该体外模型可被用于广泛描述大脑不同区域内神经元差异的特性以及模仿人脑系统的连接。

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新模型通过在芯片上连接三个不同大脑区域来模仿大脑的连接。该图片来自哈佛疾病生物物理学研究组。

哈佛大学研究者已经开发出了一种「片上多区域大脑」来对大脑内部三个不同区域间的连接方式建模。该体外模型可被广泛用于描述大脑不同区域内神经元差异的特性和模仿人脑系统的连接。

该篇研究 发布在 Journal of Neurophysiology

Ben Maoz 说道:「人类的大脑远比单个的神经元复杂得多的多。」Ben Maoz 是论文共同第一作者,同时也是哈佛大学 John A. Paulson 工程与应用科学学院(SEAS)疾病生物物理研究组的博士后。他说:「大脑复杂度就复杂在不同类型的神经元和不同区域间的连接方式上。对大脑建模时,因为有许多不同的疾病攻击那些大脑不同区域间的连接,所以你不得不对这些连接做出总结(recapitulate)。」

「美国医疗保健的预算中大约有 26% 花在了神经和精神疾病上。」Kit Parker 说道。他是 SEAS 生物工程和应用物理学 Tarr Family 教授和哈佛大学生物启发工程怀斯研究所核心教师。「支持疗法开发的工具,以减轻这些患者的痛苦不仅是人类做的事情,它是降低这种成本的最好方法。」来自 SEAS 疾病生物物理研究组和怀斯研究所的研究人员模拟了受精神分裂症影响最大的大脑的三个区域——杏仁体、海马体和前额叶皮层。

他们的研究首先是表征每个区域的神经元的细胞组成、蛋白质表达、代谢和电活动。

论文共同第一作者和疾病生物物理学小组前博士后研究员 Stephanie Dauth 说「不同区域的神经元不同,这并不奇怪,但震惊的是它们是如此的不同。」他说,「我们发现细胞类型比例、代谢、蛋白质表达和电活动在体外区域之间都不同,这表明你和哪一片大脑区域的神经元打交道确实有影响。」

接下来,团队研究了这些神经元在彼此通信时如何变化。为此,他们独立地培养来自每个区域的细胞,然后让细胞通过嵌入芯片中的引导途径建立连接。

然后研究人员再次测量细胞组成和电活动状况,发现当细胞与来自不同区域的神经元接触时,细胞发生了显著的变化。

Maoz 说:

当细胞与其他区域通信时,培养物的细胞组成改变、电生理学改变,所有这些神经元的固有性质改变。这显示了将不同的脑区域实施到体外模型中是多么重要,特别是在研究神经系统疾病如何影响大脑的连接区域时。

为了证明该芯片在疾病建模中的功效,研究小组使用药物 Phencyclidine hydrochloride(通常称为 PCP)掺入脑部不同区域,模拟精神分裂症。该片上大脑第一次实现了既允许研究人员查看药物对个体区域的影响同时观察其对体外互连区域的下游效应。

该片上大脑可用于研究任何数量的神经和精神疾病,包括药物成瘾、创伤后应激障碍和创伤性脑损伤。

Parker 说:

到目前为止,连接组计划(Connectome project)还没有识别大脑中的所有网络。在我们的研究中,我们显示细胞外基质网络是区分不同脑区域的重要组成部分,随后,这些脑区域的生理和病理生理过程是独一无二的,这种进步不仅能够开发疗法,还能够激发关于我们如何思考、感觉和生存的基本见解。


论文:来自不同大脑区域的神经元在体外是固有不同的:一种全新的片上多区域大脑(Neurons derived from different brain regions are inherently different in vitro: A novel multiregional brain-on-a-chip

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摘要

脑体外模型对于发展我们对基本神经系统细胞生理学、化学物质的潜在神经毒性作用和许多疾病状态的特定细胞机制的理解至关重要。在这项研究中,我们寻求解决当前大脑体外模型的关键缺点:缺乏来源于不同的大脑区域和多区域大脑体外模型的细胞的比较数据。我们表明大鼠神经元不同的脑区域展示了关于其细胞组成、蛋白质表达、代谢和体外电活动独特的配置文件。在体内脑在结构和功能组织方面是独特的,不同脑区之间的相互作用和沟通是正确的大脑功能的必要组成部分。来自大脑不同区域的神经元表现出独特的行为这个事实和观察强调了建立多区域大脑体外模型的重要性。因此,我们在这里开发了一个多区域片上大脑,观察到整体放电活动以及星形胶质细胞和特定的神经元细胞类型的数量与单独培养的神经元相比减少许多。此外,该多区域模型用于研究苯环利定(一种已知在体内诱导精神分裂症样症状的药物)对单独脑区域的作用,同时监测对互连区域的下游效应。总体而言,这项工作提供了来自不同大脑区域的细胞的体外比较,并引入片上多区域大脑,使得发展独特的结合必要的体内功能的疾病模型成为了可能。

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