研究以“In vivo modeling of human neuron dynamics and Down syndrome”為題發(fā)表在《Science》雜志。
盡管來(lái)自唐氏綜合征患者的腦細胞之間形成的一些連接更加穩定和豐富，但是它們以一種稍不協(xié)調的方式進(jìn)行通信。這提示，在唐氏綜合征中，腦細胞之間形成連接的協(xié)調活動(dòng)減少和穩定性增加或與認知功能有關(guān)。
體內雙光子顯微鏡技術(shù)實(shí)時(shí)監察腦細胞
這項研究的重要突破在于解析了腦細胞交流的細節。腦細胞之間的連接通常是癡呆和帕金森癥等疾病發(fā)生中首個(gè)受損的地方，發(fā)生于腦細胞自身開(kāi)始死亡之前很久，然而這些細胞之間的連接非常微小，且沒(méi)有任何類(lèi)型的掃描工具比如核磁共振成像（MRI）或正電子放射斷層造影術(shù)（PET）可以觀(guān)察到它們。研究人員使用了一種革命性的顯微鏡技術(shù)——體內雙光子顯微鏡（in vivo 2-photon microscopy），該技術(shù)不僅可以看到單個(gè)活腦細胞，還可以看到它們之間形成的連接。
具體來(lái)說(shuō)，研究人員通過(guò)使用由兩名唐氏綜合征患者捐獻的細胞構建出唐氏綜合征模型。作者之一Manuel Peter博士及其同事通過(guò)反向工程（Reverse Engineering，RE）皮膚細胞創(chuàng )造了人類(lèi)腦細胞。這個(gè)過(guò)程包括從患有唐氏綜合征的志愿者身上提取一些皮膚細胞，然后在實(shí)驗室中對它們進(jìn)行重編程而產(chǎn)生誘導性多能干細胞（iPS細胞），接著(zhù)利用iPS細胞產(chǎn)生腦細胞。他們對這些腦細胞進(jìn)行改造，以便能夠監控它們的活動(dòng)。
聯(lián)合第一作者Raquel Real博士和Antonio Trabalza博士隨后將這些人類(lèi)神經(jīng)元植入活小鼠的大腦，并隨著(zhù)時(shí)間的推移監測它們的發(fā)育和功能。
結果及意義
通訊作者De Paola博士解釋道:“人類(lèi)腦細胞不僅形成了復雜的網(wǎng)絡(luò )，而且開(kāi)始以與正常腦細胞非常相似的方式進(jìn)行交流。我們原本僅期望少許人類(lèi)腦細胞能在小鼠大腦中生長(cháng)，但我們驚訝地看到人類(lèi)腦細胞開(kāi)始茁壯成長(cháng)，且很快就能共同交流和工作。”
“這是一次了不起的團隊努力，我們的結果表明唐氏綜合征中協(xié)調活動(dòng)減少和連接穩定性增強可能與認知功能有關(guān)。弄清楚這一點(diǎn)將是解決難題的重要一部分，我們期望盡快找到答案。” De Paola進(jìn)一步解釋。
Raquel Real補充道:“人類(lèi)腦細胞的移植使我們能夠隨著(zhù)時(shí)間的推移監測它們的成熟。最終，我們發(fā)現唐氏綜合征個(gè)體的細胞在發(fā)育的關(guān)鍵階段不如正常細胞活躍，這可能對這種疾病的某些癥狀有重要影響。”
需要強調的是，目前尚不清楚移植的人類(lèi)腦細胞在多大程度上類(lèi)似于人腦中相應細胞的組織和復雜性，需要通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗對此進(jìn)行研究。該小組希望改進(jìn)這項技術(shù)，未來(lái)或可利用這種方法來(lái)研究其他神經(jīng)系統疾病。
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