在培养皿中神经网络可以帮助理解精神分裂症

这是一个梦寐以求的时刻意外的科学事业。

洛杉矶Rabadan博士离开了Raju托马的实验室哥伦比亚大学(Columbia University)一天,但不是之前存储在一个孵化器与剩下的几滴小管细胞种类的解决方案。当她返回的第二天早上,她看到的东西让她张开眼睛。“微球形成的管,你可以看到有东西连接,“Rabadan博士说,助理研究神经科学家在哥伦比亚生物科学学院。剩余的脑细胞在中一夜之间聚合成极小的神经球。

更重要的是,这些球状体自发地相互连接成一个网络。当她托马博士最初的测试的数据网络,网络之间的类人脑信号他可以看到部分让他意识到这些网络可以成为神经科学的一个新的和有价值的研究框架。科学家们称这些实验室培养再现类人脑细胞组件模块化神经网络,或莫内。

接下来从Rabadan博士的偶然的时刻观察2017年的夏天是一个诱人的研究历程,现在涉及合作者至少8哥伦比亚部门和机构。团队的研究成果到目前为止,最近在《华尔街日报》的记载自然通讯,有可能帮助医学精神病学领域的长期低迷,研究人员和其他人说。

“数十年来,很少有进展治疗精神疾病,”说老奶奶们约瑟夫,医学博士哥伦比亚Zuckerman研究所首席研究员和这篇文章的作者之一。“莫内可以成为一个伟大的帮助因为他们适合梳理神经和神经精神疾病的生物学基础和有效地审查成百上千的可能的药物治疗,”老奶奶们补充说,研究精神分裂症。

莫内的变化是一个已确立的实验室主题中,人员增长瀑样:组织和器官的三维再现,一些像豌豆一样大,安置在实验室玻璃器皿。科学家们使用前体细胞,干细胞,他们可以培养发展成各种细胞类型的每一个器官。

瀑样已被证明是一个强大的工具为研究心脏和肝脏等器官。当涉及到大脑,然而,瀑样还没有完全达到最初的炒作,托马博士说,到目前为止,因为他们缺乏网络活动,允许不同地区实际的脑组织进行交流。

“莫内捕捉更多的网络活动,这就是为什么我们认为他们会克服瀑样的局限性,成为更好的3 d模型脑组织,“托马博士说,哥伦比亚和一个助理教授联盟成员扎克曼研究所的。“莫内,单个球体模块,每一个做自己的事情,并执行自己的计算,但每个模块也在整个通信系统。这是一个非常类人脑local-global动态。”

莫内不仅是有用的模拟健康的大脑也效仿患病的人。在新研究中,研究人员从小鼠大脑细胞增长莫内携带基因变异与精神分裂症有关。结果莫内表现出正常的局部细胞球体内部模块之间的通信,但是缺乏协调的整体网络模块的信号。

这lab-dish-to-disease信件表明,莫内,由几百万细胞,至少可以模仿一些精神分裂症患者的大脑细胞和脑神经回路的特性包括数百亿细胞,托马博士说。

这些相同的莫内体现精神分裂症的脑回路的另一个生物签名。其网络结构和信号行为不稳定而莫内生长和大脑细胞缺乏精神分裂症的基因。

“电路和连接变化和波动,“托马博士说。“这可以帮助我们在精神分裂症研究短期记忆丧失,一个类似缺乏稳定的连接可以在起作用。”

莫内可以列出另一个简历项目加强参选培养皿中精神分裂症模型:当研究者沐浴的莫内的药物支持认知健康小鼠的转基因模拟精神分裂症、莫内的细胞和电路更加稳定,表现出更多的普通网络活动。

团队已经采取措施向裁剪莫内为研究其他神经系统疾病,包括癫痫和帕金森病。托马博士设想最终开发一个定制组合莫内集体模型大脑结构和功能与许多神经系统疾病有关。

“我们可以从这些不同的疾病模型获得数据,然后使用数据分析工具和机器学习来找出什么是生物学上独特的每一种疾病,”托马博士说。“以系统的方式我们可以模型数百个基因突变,与这些疾病相关,并使用莫内梳理出具体不同的基因如何影响大脑回路和健康。”数据,托马博士和他的同事说,可能打开的方法更精确的诊断和更好的治疗选择。

它也可能改变科学家认为对精神疾病的方式。

“我们早就知道观察的动物和人类的大脑在neuronal-circuit赤字水平在一系列精神疾病流行,尽管这些疾病的遗传基础是如此不同,“老奶奶们博士说,他也是一个生理学教授,哥伦比亚大学神经学和精神病学瓦大学的内科医生和外科医生。而不是描述精神疾病的大脑中的化学物质失衡,只需要正确的药物管理,概念框架作为电路转向精神疾病障碍,老奶奶们博士说。

“莫内是他们打开有什么令人兴奋的新的模型和通用的机会和研究这些电路赤字在培养皿中体外,”他说。

约旦哈姆乔治亚州立大学神经学家博士,他并没有的作者之一自然的交流纸莫内的早期粉丝。自己的作品在精神分裂症集中在哺乳动物的大脑如何处理感觉信息通过当地的神经回路之间的交互和远程全球大脑网络。

“莫内代表一个重要的进步在生物医学和药物发现的工具,特别是对于治疗旨在病态的神经电路和网络,”哈姆博士说。“这些疾病包括一些最具破坏性的和仍然under-treated疾病,其中包括精神分裂症、自闭症和抑郁症。”

参考:Rabadan妈,De La Cruz ED,饶某人,等。在体外模型神经元集合体。Nat Commun。2022;13 (1):3340。doi:10.1038 / s41467 - 022 - 31073 - 1

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