人类细胞模拟大脑的微小的球体

人类的大脑是一个高度有组织、细胞的三维质量负责我们的一举一动,思想和情感。舒适地住在头骨骨的范围,这也是相对的,很难研究。

现在,斯坦福大学医学院的研究人员已经发明一种方法来生成球面,自由浮动球的人类大脑细胞,模拟大脑皮层的结构,外层的脑组织负责我们的经验和如何看待我们周围的世界以及我们如何与他人互动。球体包含功能神经元、突触和甚至关键的支持以及星形胶质细胞,维持神经功能。他们也表达基因模式类似于人类胎儿大脑中途怀孕。

研究人员希望跟踪的发展cortex-like球状体随着时间的推移,观察细胞的相互作用可能揭示人类大脑发育和神经精神疾病的分子原因,如自闭症和精神分裂症。

“理解精神疾病的一个主要问题是,我们不能直接访问人类大脑,“Sergiu Pasca说,医学博士、精神病学和行为科学的助理教授。“这些球状体相似的三维架构皮层和基因表达模式,模仿那些影响胎儿的大脑发育。”

以前曾试图为研究要么创建特定的神经组织生成的二维殖民地不创建功能的未成熟神经元的突触,或者需要一个外部矩阵来种植细胞在一系列艰苦的步骤和技术困难。

相反,研究人员发现他们能够很容易使数以百计的他们称之为“人体皮质球状体”使用单一人类皮肤样本。这些球状体长到那么大直径5毫米,可以维护实验室9个月或者更多。他们表现出复杂的神经网络活动,可以精确的在动物模型研究技术。

Pasca是一项研究的资深作者,5月25日在线发表在《自然》(Nature)方法,描述工作。博士后学者和新生儿学的Anca Pasca博士和研究生史蒂文·斯隆分享这篇论文的主要作者。(Sergiu Pasca和Anca Pasca都结婚了。)

“这种新方法的能力和承诺是非凡的,”合著者本·巴尔说,博士,神经生物学、发育生物学的教授和神经病学和神经科学。“大脑发育障碍,例如,一个可以把皮肤细胞从任何病人,回放他们的大脑发展的培养皿中找出什么步骤的发展出现问题,如何得到纠正。阿尔茨海默病,一个可以做同样的事情来确定神经元或神经胶质是不正常的,如果是这样,什么是故障。现在我们可以摆脱鼠标作为一种模式,而是从人类生成功能神经元和神经胶质和任何疾病。”

寻找一个好的模型

研究者开始着手研究后变得沮丧和缺乏一个好的模型系统研究人类大脑发育和功能。尽管功能性磁共振成像技术让科学家们广泛的可视化的大脑活动,他们不给一个近距离的看的复杂神经网络大脑功能所必需的。事后组织可以给大脑结构,而不是功能。

“我是一个神经生物学家,”Sergiu Pasca说。“我需要研究神经元点火。”

研究人员首先创造了七批诱导多能干细胞,或“诱导多能性”细胞,从五人的皮肤。“诱导多能性”细胞有能力成为近人体任何组织在特定条件下生长。他们“诱导多能性”细胞进入公寓,多细胞表面殖民地实验室菜。研究人员然后仔细分离完整的殖民地,他们搬到特殊实验室菜治疗细胞很难坚持菜肴。几小时内,殖民地开始折在自己创建球体。然后他们治疗的细胞生长因子和小分子促进他们发展成神经祖细胞。大约7周后,近80%的细胞蛋白质表达的球体由神经组织。此外,约7%的细胞表达另一种蛋白质特别是由星形胶质细胞星形细胞环绕突触的支持,神经元之间的连接。

星形胶质细胞是神经信号的关键:“Pasca说。“但这是具有挑战性的有效地使神经元和星形胶质细胞在同一时间。直到现在,研究人员已经从啮齿动物或人类胎儿组织依赖于星形胶质细胞,并试图增加神经元上。我们的系统生成发展在音乐会和星形胶质细胞的基因是相同的神经元周围。”

当人类皮质球状体,或高碳钢,切片时,他们表现出类似人类的建筑皮层。“相对于单层文化,我们观察到一个有序的,三维的特定类型的神经细胞在高碳钢,“Pasca说。

该组织主要是由细胞本身,研究人员发现。

“如果有人问我之前,我们进行了本研究将真正需要重建人类的皮层,我会说这需要各种各样的特定分子线索和许多其他条件,我们甚至没有意识到,“Pasca说。”,但在现实中,程序开始后,和一些条件得到满足,细胞本身是做其他的工作。”

最后测试人类皮质球状体的部分,执行功能测试。研究人员发现,高达80%的神经元的刺激时球体能够发射。此外,86%的神经元表现出自发的神经信号和参与神经网络活动。

“我们已经把它们就像我们老鼠大脑的片,“Pasca说,”并试图回答功能问题。我们发现,如果刺激片的一边,另一边我们可以记录大脑皮层活动。”

研究人员希望他们的研究将提供一个发布点许多科学家研究人类大脑发育和功能。从长远来看,他们希望帮助各种神经精神障碍患者。

“我是一个经验丰富的医生,“Pasca说。“我们通常非常有限的治疗选项我们可以提供精神障碍患者。能够在培养皿中研究神经元和神经胶质功能,以及网络活动,从患者自身的细胞,有可能为精神疾病带来新的见解和治疗。”

其他斯坦福大学的合作者博士后学者劳拉·克拉克博士,博士,尼娜胡贝尔,Christopher梅金森博士和Khoa Nguyen博士;研究助理Jin-Young公园博士;高级研究科学家南希O’rourke博士;约翰•艾米博士,神经病学和神经科学教授;和斯蒂芬·史密斯博士前斯坦福大学分子和细胞生理学教授。