研究以“In vivo modeling of human neuron dynamics and Down syndrome”為題發(fā)表在《Science》雜志。
盡管來自唐氏綜合征患者的腦細胞之間形成的一些連接更加穩(wěn)定和豐富，但是它們以一種稍不協(xié)調(diào)的方式進行通信。這提示，在唐氏綜合征中，腦細胞之間形成連接的協(xié)調(diào)活動減少和穩(wěn)定性增加或與認知功能有關。
體內(nèi)雙光子顯微鏡技術實時監(jiān)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(jié)。腦細胞之間的連接通常是癡呆和帕金森癥等疾病發(fā)生中首個受損的地方，發(fā)生于腦細胞自身開始死亡之前很久，然而這些細胞之間的連接非常微小，且沒有任何類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（PET）可以觀察到它們。研究人員使用了一種革命性的顯微鏡技術——體內(nèi)雙光子顯微鏡（in vivo 2-photon microscopy），該技術不僅可以看到單個活腦細胞，還可以看到它們之間形成的連接。
具體來說，研究人員通過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博士及其同事通過反向工程（Reverse Engineering，RE）皮膚細胞創(chuàng)造了人類腦細胞。這個過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，然后在實驗室中對它們進行重編程而產(chǎn)生誘導性多能干細胞（iPS細胞），接著利用iPS細胞產(chǎn)生腦細胞。他們對這些腦細胞進行改造，以便能夠監(jiān)控它們的活動。
聯(lián)合第一作者Raquel Real博士和Antonio Trabalza博士隨后將這些人類神經(jīng)元植入活小鼠的大腦，并隨著時間的推移監(jiān)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:“人類腦細胞不僅形成了復雜的網(wǎng)絡，而且開始以與正常腦細胞非常相似的方式進行交流。我們原本僅期望少許人類腦細胞能在小鼠大腦中生長，但我們驚訝地看到人類腦細胞開始茁壯成長，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(diào)活動減少和連接穩(wěn)定性增強可能與認知功能有關。弄清楚這一點將是解決難題的重要一部分，我們期望盡快找到答案。” De Paola進一步解釋。
Raquel Real補充道:“人類腦細胞的移植使我們能夠隨著時間的推移監(jiān)測它們的成熟。最終，我們發(fā)現(xiàn)唐氏綜合征個體的細胞在發(fā)育的關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(diào)的是，目前尚不清楚移植的人類腦細胞在多大程度上類似于人腦中相應細胞的組織和復雜性，需要通過進一步的實驗對此進行研究。該小組希望改進這項技術，未來或可利用這種方法來研究其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病。
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