Nature子刊：利用可植入的类器官构建创新型脑机接口

文章介绍

• 题目：构建类器官-脑-机接口用于脑损伤后神经功能修复

• 杂志：Nature communications

• 影响因子：14.7

• 发表时间：2024年11月

脑损伤造成严重的社会经济负担，严重影响患者的生活质量。手术、药物和康复治疗在恢复受损功能方面往往有限。经典的脑机接口（BCIs）允许大脑和外部计算机之间直接通信，允许用户拼写单词、移动光标和控制轮椅或机械臂。用于信号记录和刺激的神经接口（电极）在脑机接口中至关重要。脑损伤会导致神经细胞大量丢失，特别是当形成大空洞时，这限制了植入式电极在没有健康细胞替代的情况下正常工作。因此，有必要构建由替代细胞介导的创新BCIs来修复脑损伤。研究人员构建了结合移植类器官优点和神经调控的创新型OBCIs来修复脑损伤。

首先，研究人员评估了OBCIs系统的长期安全性和可行性，并探索了调节类器官移植物的方案。经过早期调控后，移植物的进行性分化和成熟增强。此外，经过后期调控，移植物与宿主大脑之间形成了结构-功能连接，表现为突触连接增加，最终促进宿主受损功能的修复。未来，OBCIs可与闭环系统集成，创建双向BCIs框架，具有重建宿主大脑内特定神经功能环路的潜力。

为了探索调节OBCIS的合适参数，研究人员在体外构建了类器官-电极复合物来模拟OBCIs。结果表明，类器官在50 Hz和50 μA的恒电流、阴极先导、双相方形波形下表现出更高的放电频率。与未受刺激的类器官相比，电刺激（ES）后观察到较短的峰间间隔（ISI）。为了验证ES对类器官分化的影响，研究人员检查了类器官内皮质板的层流结构，发现与对照组相比，ES组中TBR1的表达降低，CTIP2的比例增加，而SATB2的表达在两组之间没有显著差异；此外，ES组突触更丰富，VGLUT1表达更高，星形胶质细胞的数量减少。电生理特性分析显示，ES组放电速率更高，网络的同步性增加，以及整体低频能量更高（图1），这表明电刺激促进了类器官的功能成熟。

研究人员在宿主的初级感觉皮层（S1）内建立损伤空洞，模拟皮质损伤。随后，由移植的类器官介导的脑机接口被开发出来，以促进脑修复。将体外培养40 d的GFP+类器官移植到宿主S1，定义为移植后0 d（0 dpt）。在25 dpt下进行二次开颅手术，将双柄柔性电极植入类器官或宿主脑内进行信号记录和刺激。在紫外线（UV）光的辅助下，一个柄被植入位于S1的类器官，另一个柄被植入邻近的宿主初级运动皮质（M1），这被称为OBCIs系统。免疫染色结果显示，大多数小胶质细胞保持未激活状态。在移植物中，体内发生了进行性分化（DCX）和成熟（MAP2），并伴有血管浸润。此外，SYN+和PSD95+共定位的点状结构提示了移植物内的突触连接。总体而言，插入的电极没有对类器官或宿主大脑造成损伤。值得注意的是，在长时间监测方面，研究人员发现信号活动随着时间的推移而增加，其特征为主动高频尖峰和低频能量，这反映了类脑器官的成熟和电极的持续有效性。对于宿主安全性，约85%的移植动物存活超过180日，这表明BO、BO-ET和BO-ET-ES组之间无显著差异。体内评估了柔性电极的信噪比（SNR），发现在180 dpt时信噪比降低，但仍保持在10 dB以上（图2）。

根据移植类器官的发育状态，选择存活（30 dpt）和整合（60 dpt）两个关键时间点对移植物进行调控。对于早期刺激，研究人员在体外的类器官-电极复合物中确定了刺激参数。此研究人员在体内对移植物进行了持续10天的调节，在刺激下未发现激活的免疫反应。对类器官生存潜力，发现60 dpt刺激后移植物体积增加，达到统计学显著性。增殖检测发现在60 dpt时，BO-ET-ES组Ki67+细胞的比例高于BO和BO-ET组。研究人员还发现BO-ET-ES组有更多的血管浸润到移植的类器官中，呈管状形态，神经祖细胞（PAX6+）减少，成熟神经元（NeuN+）增加。此外，BO-ET-ES组中植入的类器官中的皮质神经元亚类（SATB2和CTIP2）增加。BO-ET-ES组中突触前标志物人突触素（hSYN）和PSD95有多个共定位点，表明BO-ET-ES组的突触连接更多（图3）。

研究人员接下来使用OBCIs评估了移植物的功能成熟。在10天的刺激期间，BO-ET-ES组的放电率与BO-ET组相比显著提高；在局部场电位（local field potential，LFP）分析中，研究人员观察到BO-ET-ES组较BO-ET组低频带能量保持稳定，信息熵保持稳定，而中高频带能量显著增加。研究人员监测了从40至180 dpt的移植物的长期电生理活动，以探索其是否与功能成熟度相关。BO-ET-ES组的放电率、爆发数量和爆发持续时间持续增加，与BO-ET组显示出显著差异，而spike振幅稳定。在LFP分析中，BO-ET-ES组的γ波段能量高于BO-ET组，而在其他波段能量不明显。研究人员计算了类器官移植物的低频和高频信号的PAC，发现BO-ET-ES组表现出显著更强的PAC，表明移植的类器官功能成熟度增强。LFP活性分析显示，BO-ET-ES组的Gamma和高Gamma频段的能量随着时间的推移持续增加，显著超过BO-ET组。此外，在180 dpt下，BO-ET-ES组的Gamma波段和高Gamma波段的能量与Naïve组相当，表明BO-ET-ES组的宿主功能恢复（图4）。

研究人员选择70 Hz的刺激来调节后期阶段的移植物，在120 dpt时观察到BO、BO-ET和BO-ET-ES组中移植物稳定存活的代表性图像。研究人员研究了60、120和150 dpt时移植物投射到宿主脑中的程度及其解剖靶点，发现类器官的边界模糊不清，还观察到束状投影，大多数突起位于移植物附近，而一些位于对侧皮质。对比分析表明，后期刺激增加了类器官到同侧宿主脑的投射数量，这可以通过投射计数增加和距离增加得到证明。VGLUT1+和谷氨酸脱羧酶65和67（GAD65/67）点的存在表明谷氨酸能和GABA能突触的存在。此外，刺激促进了类器官和宿主之间兴奋性和抑制性突触连接的建立。研究人员还发现BO-ET-ES组神经元突触棘密度增加，还在60、120、150 dpt检查了投射到宿主中的类器官的突触连接，表明后期刺激显著促进了类器官和宿主之间功能性突触的形成（图5）。

研究人员还研究了是否存在电生理功能，特别是类器官和宿主大脑之间的信号连接。在10日的刺激期间，类器官表现出一致的脉冲活动增加，表明移植物内电传递的突触成熟，刺激促进了移植物的功能发育。值得注意的是，在spike幅值上没有观察到这种趋势，这表明单个神经元的细胞动作电位保持稳定。LFP测量显示，移植物同时存在多个频率的振荡，范围从Delta到高Gamma，这是体内成熟神经网络的特征。与BO-ET组相比，在BO-ET-ES组中观察到更明显和持续的中高频增加（Beta到高Gamma），这表明刺激在这些频带内激活了振荡。研究人员进一步评估了LFP的连接性和耦合性，发现两种类型的相关性在刺激后3个月显著增加，在BO-ET-ES组中观察到更明显的效果。在移植物中，研究人员注意到，电刺激对神经网络的动态发展具有长期影响。研究人员还发现电刺激在后期促进了行为功能的恢复（图6）。

类器官和电极植入的问题包括宿主和移植物的生存期延长，以及移植物的潜在致瘤性，这些必须长期监测。研究结果表明，不同组的小鼠存活率没有显著差异，移植物在调节后表现出稳健的生长。此外，该研究表明，OCT4/SSEA4阴性的移植物没有形成肿瘤，并且呈进行性成熟，表明它们的安全性。未来，植入过程带来的不确定性和宿主神经网络的未知分布需要基于每个电极记录的数据来阐明生物学解释。此外，该研究在体内整合了类器官与生物电子学，创建了一个便于与大脑进行更直观沟通的系统，这在脑损伤、假肢和双向脑机接口方面具有应用前景。

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