Multicellular Co-development Promotes Maturation of Human Stem Cell-Derived Neural Networks
本研究表明，一种允许神经元和神经胶质细胞从人类神经干细胞共同发育的谱系不受限分化（LUD）方法，与传统的谱系定向方法相比，显著增强了神经网络的结构、分子和功能成熟度，从而为研究大脑发育和疾病创建了更具生理相关性的体外模型。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
人类大脑并非由静默工作的孤立部分组成的集合，而是一座繁忙的城市，其中不同类型的工人必须共同建设并维护基础设施。在发育中的大脑中，负责传递电信号的神经元并非独自成熟，它们与支持并调节神经元的星形胶质细胞，以及为它们之间的连接提供绝缘保护的少突胶质细胞一同生长。几十年来，试图在实验室培养皿中研究人类大脑的科学家们一直面临着一个困境。为了清晰地观察神经元如何工作，他们通常将其单独培养，使其脱离自然环绕在周围的支持细胞。虽然这种方法使实验更容易控制，但它可能使神经元处于发育停滞的状态，无法达到在活体中应有的成熟度。问题在于，迫使这些不同类型的细胞共同生长，模拟发育中大脑的自然环境，是否能帮助它们成为研究人类健康和疾病更真实的模型。
一支研究团队通过创造一种在实验室中培育人类脑细胞的新方法，着手测试这一想法。他们并没有引导干细胞走向单一路径去仅变成神经元或仅变成支持细胞，而是让细胞自行选择命运。他们将人类神经干细胞置于一个简单的、无血清的环境中，并添加了一种能支持多种脑细胞类型存活的特定生长因子。他们没有强迫细胞变成任何特定的类型，而是让神经元、星形胶质细胞以及绝缘细胞的前体从同一个起点共同涌现。这种被研究人员称为“谱系不受限分化”的方法，允许不同的细胞类型在生长过程中相互作用并相互影响，正如它们在人类发育过程中所做的那样。
结果显示，这种方法创造了一个更加稳健且成熟的细胞网络。当研究人员将这些混合培养物与传统的单独培养神经元的方法进行比较时，他们发现混合培养物发育出了更强壮且更有组织性的连接。在混合培养物中，神经元相互交流的结构（被称为突触）更大且排列更整齐。此外，这些网络的电活动更强大，且持续时间更长。在单独培养神经元的传统培养物中，电活动开始得早但消退得快；而在混合培养物中，电活动开始得稍晚，但变得更强且能稳定持续长达六十天，这表明其系统更具韧性和功能性。
为了了解这些实验室培育的细胞与真实人类脑组织有多接近，研究人员分析了细胞内部的遗传指令。他们发现，在混合培养中生长的神经元与人类胎儿皮层（大脑中负责复杂思维的外层）的神经元拥有几乎所有相同的活跃基因。支持细胞（即星形胶质细胞）也表现出与发育中人类大脑中的对应细胞极强的遗传相似性，尤其是与在包含动物血清的标准实验室条件下培育的支持细胞相比。混合培养物中的支持细胞表现出一种健康的、发育中的状态，而非在隔离生长条件下常见的压力或反应状态。
该研究还测试了这些细胞对压力的反应。当研究人员将培养物暴露在高水平的谷氨酸（一种过量时会对脑细胞产生毒性的化学物质）中时，混合培养物的表现远好于仅含神经元的培养物。混合培养物表现出较少的细胞死亡和对化学压力更受控的反应。支持细胞的存在似乎帮助了神经元应对压力，抑制了细胞内钙离子的激增，从而保护它们免受损伤。这表明细胞生长的环境在它们应对挑战时起着至关重要的作用，而这一因素在孤立研究细胞时经常被忽视。
这些发现表明，创造实验室培养皿中准确的人类大脑模型的途径，可能不在于隔离特定的细胞类型，而在于重建它们自然发育时的复杂环境。通过让不同的脑细胞谱系共同生长，研究人员能够生成在结构、遗传和功能上都比以往方法更接近发育中人类大脑的培养物。这种方法为科学家研究大脑如何形成、如何应对损伤以及疾病如何破坏这些微妙的相互作用，提供了一个更简单、更易获取的平台。它强调了干细胞成为成熟、功能性脑组织的潜力，不仅取决于细胞本身，还取决于它们在生长过程中所处的社交环境。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。