斯坦福大學研究人員在小鼠中成功培養人腦組織以研究神經疾病

研究人員成功創造出外部大腦幾乎全部為人類組織的活小鼠。斯坦福大學的科學家清除了這些小鼠的本土神經通路，以創造一個空間真空，讓實驗室培養的人類大腦組織填補這一空缺。這些人類細胞佔據了小鼠大腦總空間的約一半，並成功連接到宿主的血液供應、局部神經元及脊髓。這種所謂的「異種皮質」動物為研究從癲癇、自閉症到腦癱等人類神經病症提供了前所未有的視角。研究人員在研究論文中寫道：「我們預見異種皮質將對獲取電路和行為層面的數據非常有用，利用人類神經元來研究神經發展、建模疾病及開發療法。」

通過異種皮質小鼠大腦的橫截面核磁共振影像掃描顯示了估計的神經纖維通路和方向圖。由於人類大腦組織本質上無法獲取，研究神經發展和功能變得相當困難。現在，來自人類幹細胞的神經模型正在幫助研究人員克服這一障礙。這種技術還提供了宿主行為和細胞發展的見解。最終，這些混合模型提供了一種有前景的方法，以即時檢查人類大腦的健康和疾病。

技術突破與小鼠基因改造

典型的鼠類大腦因過於擁擠而無法大規模生長人類組織，空間競爭始終佔上風，人類細胞被擠出。為瞭解決這一問題，由塞爾基烏·帕斯卡博士領導的團隊對小鼠進行了基因改造，阻止其自身大腦皮質和海馬體的發展。這些動物出生時擁有巨大的結構空白，隨後進行了移植。科學家將人類皮膚細胞轉化為幹細胞，培養成迷你大腦類器官，並將其注射到小鼠幼崽中。這些微小的人類細胞羣存活下來並迅速擴展，經過三個月，移植的人類組織已擴展五倍，直接連接到小鼠的血管，並將神經纖維延伸至動物的脊髓。

實驗室培養的人類大腦組織在移植後迅速擴展，佔據了小鼠大腦皮質的大部分空間。隨著其生長，發展出各種專門的人類大腦細胞。這些新細胞隨後直接連接到小鼠現有的神經系統。腦部掃描和電氣測量顯示，移植的人類細胞以有序的模式放電，表現出類似發展中大腦電路的行為。小鼠依然能正常行走和活動，然而，研究人員注意到它們在協調四肢及執行日常自發習慣時出現輕微的變化。團隊指出：「對無皮質和異種皮質小鼠的行為分析顯示，運動能力大致保持，但在四肢協調及自發行為的組織上存在選擇性差異。」

醫學意義與倫理考量

這些醫學意義是立竿見影的。在概念驗證測試中，研究人員將異種皮質小鼠暴露於低氧環境五小時。人類神經元遭受了嚴重且選擇性的損傷，模擬了人類嬰兒在艱難分娩中導致腦癱的細胞崩潰。出乎意料的是，該平台還產生了稀有的馮·埃科諾莫細胞，這是一種受前額葉痴呆嚴重影響的特殊細胞，之前無法有效地在實驗室中培養。隨著研究的進展，生物倫理學家和哲學家積極監督這些動物的福利和認知狀態。

然而，對於數百萬患有無法治療的神經病症的患者來說，這些嵌合小鼠代表了一個重要的進展，將人類大腦的黑暗盒子帶入光明。該研究結果於九月十六日發表在《自然》期刊上。

嵌合小鼠對神經疾病研究的影響

這項研究的成功展示了人類大腦組織在小鼠中生長的潛力，為神經疾病的研究開辟了新的途徑。透過基因改造，小鼠能夠容納人類細胞，並且這些細胞能夠有效地與宿主的神經系統互動，這對於理解人類神經發展和疾病機制至關重要。此外，這項技術的進步也引發了對動物福利和倫理問題的關注，因為這些嵌合小鼠的行為和認知狀態需要持續監督。