人脑类器官培养时长、NBQX 参考药理与局部网络功能分别评价。原创概念示意,非原始实验图。
人脑类器官培养时长、NBQX 参考药理与局部网络功能分别评价。原创概念示意,非原始实验图。(J&E Bio)

长期培养后出现可记录的自发网络活动

哈佛大学(Harvard University)等团队在 2017 年研究人脑类器官的细胞多样性与功能成熟。相关功能实验采用高密度硅电极,从完整类器官中记录细胞外放电,并比较不同培养时长。

8 个月组 7 个类器官中有 6 个检出自发放电,4 个月组 4 个类器官中均未检出。8 个月组共得到 11 处记录点和 32 个放电单元,类器官、记录位置与放电单元代表不同层级。

研究通过波形、放电不应期及信号分类判断记录单元。在至少 3 处不同位置记录 40 分钟仍未检出自发动作电位,才判为无活动。自发放电描述该记录条件下的活动,各模型的整体成熟程度还需其他指标判断。

NBQX 降低放电,支持兴奋性突触传递

团队加入 20 μM NBQX,一种非 N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)型谷氨酸受体拮抗剂。正文报告放电率降低 81%,支持多数记录放电受到兴奋性突触传递驱动。

图 4 的处理前后中位放电率分别为 0.380 和 0.073 Hz,采用配对符号检验,n=12。图注没有进一步列出这些记录与类器官数量的对应,药理子实验的生物重复规模仍不清楚。

放电时间相关分析还出现短延迟正峰,支持神经元之间有功能连接。药理变化与时间结构提供了不同证据,二者共同描述局部网络活动。

网络活动和光响应在模型之间存在差别

6 个自发活动类器官中,3 个显示明显突发放电,其余 3 个放电较稳定。在部分突发网络中,不同记录单元的募集顺序表现出可重复的时间结构。

研究另在 7 至 9 个月模型中测试光刺激,10 个类器官中 4 个含有光后放电率下降的单元,相关实验共记录 25 个细胞。作者没有确定光是否直接作用于光敏细胞,还是改变下游网络。

这些差别与脑类器官的细胞组成和培养环境变异共同构成质量问题。论文讨论指出,部分细胞类型出现较稳定,另一些更零散,培养批次也可能影响结果。

来源与延伸阅读

  1. Cell diversity and network dynamics in photosensitive human brain organoids. Nature. 2017. doi:10.1038/nature22047 ↗