斯坦福大學醫學院的研究人員培養出了一個負責自主運動的人類神經細胞迴路工作模型，這在科學界當屬首次。

研究人員從人類幹細胞中提取出了代表大腦皮層、脊髓和骨骼肌的三類組織，這三類組織也就是迴路的三個組成成分，並且使這三類組織在培養皿中自我“組裝”。

這一進展有望加速對各類神經系統疾病的研究。與此同時，該研究結果也表明大腦可以在實驗室的玻璃器皿中與身體的部位融合，從而組成一個神經迴路，並且該回路能夠發揮其應有的作用。

研究人員在一個培養皿中組裝了一個人類大腦至肌肉的神經迴路工作模型。 版權: Jimena Anderson/Pasca實驗室

如果人體中負責將指令從大腦傳遞到骨骼肌的神經迴路發生了中斷，那麼可能會導致個體癱瘓和死亡。科學家們試圖透過對實驗室中動物的研究，瞭解人類的神經肌肉損傷，但是由於神經迴路種間差異的存在，他們的研究也遇到了阻礙。

精神病學和行為科學副教授Sergiu Pasca說：“ALS已經在齧齒類動物身上治癒了幾十次，”這裡的ALS是肌萎縮性脊髓側索硬化症（又稱Lou Gehrig症）“但是沒有一種療法能有效地治癒人類ALS。但是現在我們可以利用患者自身的細胞生成個性化的工作模型，這將幫助我們在培養皿中對這些疾病進行研究。”

組合體

斯坦福大學團隊依賴人類誘導性多能幹細胞（iPS細胞），建立了大約三分之一英寸長的模型，Pasca稱該模型為組合體。這項研究結果發表在12月16日的《細胞》雜誌上。Pasca是這項研究的首席作者，也是Bonnie Uytengsu家族成員和斯坦福大學腦器官發生專案的主管。這篇研究的主要作者是Jimena Anderson博士。

Pasca的研究小組透過以往的研究，已經制造出了非常接近大腦皮層結構及生理機能的微型球體。而在這項新研究中，科學家們調整了他們的製作方法，製造出了另外兩種類似於脊髓組織和骨骼肌的球體。

而這三種球體代表了控制自主運動迴路的三個關鍵組成成分。以脊椎球體為中心將三類球體一個挨著一個地放置在培養皿中，那麼這些球體就會逐漸融合在一起。

Pasca和他的同事們證明，迴路之間能進行精確的組裝：來自皮質球體的神經元能與支配肌肉組織的脊髓球狀運動神經元相連。“我們只是製造出了零件，” Pasca說，“但是這些零件自己知道如何組裝起來。”

引發肌肉抽搐

但是這些迴路真的能夠產生工作連線嗎？刺激皮質神經細胞是否真的能導致肌肉組織收縮呢？

科學家們運用實驗室技術發現，刺激皮質球體會引發骨骼肌球體的抽搐。

“骨骼肌在通常情況下是不會自主收縮的，” Pasca說。“所以說，當我們在實驗室的培養皿中看到骨骼肌在大腦皮層受到刺激後馬上發生第一次抽搐的那一刻，是我們永遠都不會忘記的一刻。”

Pasca說，這些組合體融合在一起後至少10周內仍然能完全發揮其功能。“並且值得注意的是，這些組合體保持完好的時間越長，它們的收縮效果就越好。”他說道。

Pasca的研究小組正在與微生物學和免疫學副教授Jan Carette博士領導的團隊合作，利用這些組合體來解開脊髓灰質炎病毒以及其他受體只存在於靈長類動物中的致殘性脊髓灰質炎病毒的病理學之謎。

球體之間究竟有多少種組合，沒有明確的限制。Pasca的研究團隊在12月3日發表於《自然生物技術》上的一項研究中，將一個皮質球體與另一個代表紋狀體的球體融合在一起（紋狀體是一個大腦結構，是控制人體愉悅感和動機行為的樞紐）。Pasca說，這種組合體可能有助於我們對精神分裂症、抑鬱症和成癮的病因進行研究。

參考文章資訊：

Jimena Andersen et al. Generation of Functional Human 3D Cortico-Motor Assembloids, Cell (2020). DOI: 10.1016/j.cell.2020.11.017

Yuki Miura et al. Generation of human striatal organoids and cortico-striatal assembloids from human pluripotent stem cells, Nature Biotechnology (2020). DOI: 10.1038/s41587-020-00763-w