解锁人类神经系统的奥秘，离不开可行且精确的大脑功能模型。圣犹达研究人员近日取得重大进展，成功构建了此类模型，为深入探究人类神经系统的复杂机制奠定了坚实基础。该模型由源自人类诱导性多能干细胞的丘脑细胞和皮层细胞构建而成，具有高度仿真性，能够模拟大脑中不同区域之间的相互作用。
人类大脑中，丘脑皮质系统扮演着至关重要的角色，负责感知、学习和记忆等多种认知功能。为了深入探究这一复杂系统背后的机制，圣犹达研究人员构建了一种新型的人体模型，该模型由培养皿中紧密连接的丘脑和皮质细胞团（类器官）组成。
在这个模型中，丘脑和皮层细胞能够相互形成突触连接，并表现出突触可塑性，即突触电信号的长期增强和减弱。这一现象表明，该模型能够模拟人类大脑中学习和记忆过程的关键机制。
研究人员进一步将新型人体模型与现有的动物模型进行比较，发现两者在突触可塑性机制上存在差异，这表明物种间的潜在机制存在差异，也强调了准确的人体模型对于理解人类大脑功能的重要性。
该研究成果发表在《细胞报告》杂志上，为揭示人类感知、学习和记忆机制提供了重要的新线索。
以往，研究人员只能通过低分辨率方法测量一组神经元的反应，无法深入解析人类单细胞或突触的活动。为了解决这一难题，圣犹达研究人员开发了一种新型方法，用于高分辨率解析人类神经元功能。
研究的目标不仅是研究神经回路，而且要真正了解人类大脑中神经元之间的交流，因此，需要在亚微米突触水平上测量单个神经元之间的活动。该方法能够在亚微米突触水平上测量单个神经元之间的活动，为研究人类神经回路和神经元之间的交流提供了强大的工具。
在亚微米级别研究突触
突触可塑性是人类大脑学习和记忆的关键机制，它指突触连接强度在短时间内发生增强或减弱。然而，由于突触可塑性发生的时间非常短，研究人类突触一直是该领域的一大难题。
为了克服这一难题，研究人员利用了近年来快速发展的脑类器官技术。这项技术能够在体外培养特定类型的神经元，例如皮层细胞或丘脑细胞。这些细胞在培养皿中能够自组织成具有突触连接的类器官结构，并形成长距离突起（轴突）。
研究人员发现，如果两种不同类型的类器官融合在一起，它们就会形成一个“组装体”，其中两种类型的神经元会继续发育，相互发送信息，然后开始交流。
然而，对于研究人员来说，这只是第一步。将丘脑和皮质细胞聚集在一起，它们开始自我组织并建立连接，但这可能只是一个随机、无序的过程。我们需要看看它们是否能表现出丘脑皮质和皮质丘脑突触的突触可塑性特征。
建立准确的模型
类器官领域的一个主要障碍是选择性。许多类型的神经元根据其产生的神经递质以不同的方式进行交流。研究人员利用细胞培养系统几乎完全（>80%）选择通过释放神经递质谷氨酸进行交流的神经元。这使得研究人员能够使用单细胞电生理工具和高分辨率成像可靠地测量突触可塑性。
神经元连接的长期强化和弱化是可塑性的特征；随着新桥梁的形成，旧桥梁需要被拆除。通过监测谷氨酸信号的传输，研究人员证实，这两种不同的神经元反映了人类大脑丘脑皮层系统的行为，而且重要的是，重新定义了之前建模的内容。
研究发现，类器官模型能够响应与其他动物模型相同的刺激模式，但机制略有不同。这一发现表明，类器官和组装体模型有望成为神经学研究的重要工具。
例如，丘脑皮质组装体模型在神经或精神疾病研究中具有巨大潜力。研究人员可以从患者身上提取细胞，或将致病突变引入健康人体细胞，并生成特定疾病的组装体模型，从而研究已知突变导致的突触可塑性变化。
文章来源：Cell Reports
DOI: 10.1016/j.celrep.2024.114503
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