斯坦福大學的研究人員將人類神經元移植到大鼠的大腦中，看到它們成熟為混合的大腦迴路，然後用它們來影響嚙齒動物的行為。這項工作標誌着神經科學向前邁出了令人印象深刻的一步，並且可以看到大鼠大腦成為研究認知障礙的活實驗室。
當談到人體器官時，大腦和它們一樣複雜，同樣，它也是一個非常難以研究的對象。近年來，我們看到科學家在實驗室培養的大腦器官方面取得了令人印象深刻的進展。這些幹細胞開始接觸生長因子，以刺激其成熟為不同類型的腦細胞，然後將其組裝成類似於大腦中的三維結構。
這不會產生意識，但確實為科學家提供了一個研究癲癇、自閉症、精神分裂症等疾病的模型，並研究不同藥物的效果。我們還看到了一些版本的腦器官，它們能夠生長出自己的血管，發出電信號，甚至生長出能夠感知光線的基本眼睛。
去年，斯坦福大學醫學院精神病學和行為科學教授Sergiu Pasca共同撰寫了一份關於20個月大的實驗室培養的大腦器官的研究。在這項工作之前，人們認為實驗室培養的大腦沒有能力成熟到相當於胎兒發育的階段。這項研究證明，這些有機體可以像人腦一樣成熟，遵循內部時鐘，在與體內發育平行的時間軸上達到產後成熟度。
雖然Pasca和該領域的其他人繼續開發代表不同大腦區域的先進有機體，如大腦皮層，但在培養皿中研究這些結構有其局限性。
Pasca說：“我們一直在使用有機體和它們的複雜組合在培養皿里製作越來越複雜的電路，稱為組裝體。但是，與你在自然發育的人類大腦中看到的情況相比，這些實驗皿中的神經元在發育方面仍然落後。許多挑戰–例如缺乏營養物質和生長因子、形成血管的內皮細胞或感覺輸入–阻礙了實驗皿中的發育。”
在他們的最新工作中，Pasca和他的團隊將類似於人類大腦皮層的大腦器官移植到近100隻幼鼠體內。這些幼鼠兩三天大，相當於人類的嬰兒期，在這個階段被植入，以便器官可以形成連接並與它們自己的大腦共同進化。
不久之後，大鼠內皮細胞遷移到人體組織中，形成血管，為其提供營養和信號能力，以處理廢物。大鼠大腦中的免疫細胞緊隨其後，在移植的組織中自成一體。從那以後，植入的器官組織不僅存活下來，而且成長到佔據了它們被植入的大鼠大腦半球的大約三分之一的位置。
來自器官的單個神經元也迅速生長，在大鼠大腦中形成了與嚙齒類動物天然大腦電路的連接，包括與丘腦區域的連接，該區域負責傳遞來自身體的感覺信息。
Pasca表示：“這種連接可能為人類神經元的最佳成熟和整合提供了必要的信號。”
科學家們隨後將目光轉向了疾病，利用來自蒂莫西綜合症患者的皮膚細胞創建了一個類器官，蒂莫西綜合症是一種與自閉症和癲癇有關的大腦疾病。這個類器官被移植到老鼠大腦的一側，而由健康受試者的細胞創建的類器官被移植到另一側作為對照。五到六個月後，這顯示了電活動的明顯差異，而蒂莫西綜合症的神經元也小得多，並且具有較少的信號結構，稱為樹突。
Pasca說：“通過研究保存在培養皿中的器官，我們已經了解了很多關於蒂莫西綜合症的情況。但只有通過移植，我們才能看到這些與神經元活動有關的差異。”
但最引人注目的發現來自於旨在衡量混合大腦處理感官信息能力的實驗。將空氣吹向大鼠的鬍鬚，科學家們發現這使得人類的神經元有了電的反應。
另一個實驗涉及經過改造的器官，使其對藍光作出反應，藍光通過超薄光纖電纜施放。藍光脈衝被用來激活這些神經元，只有在這些藍光事件發生后，大鼠才能獲得水。這發生在一個為期15天的”訓練期”，教導大鼠，這些神經元的激活意味着獎勵即將到來，促使它們在期待中竄向水口。大鼠學會了將藍光刺激與水的供應聯繫起來，這表明植入的人體組織可以作為大鼠大腦尋求獎勵電路的一部分發揮作用。
奧地利分子生物技術研究所科學主任Jürgen Knoblich博士說：“研究人員表明，人類神經元在被激活時，會幹擾大鼠的行為，”他沒有參與這項研究。“人類細胞在功能上與大鼠的大腦相連。這就是這項工作如此出色的原因。”
Pasca將此描述為有史以來由人類皮膚細胞炮製的最先進的人類大腦電路，並說該平台是第一個在這種情況下為人類細胞提供行為讀數的平台。由於能夠控制和觀察對大鼠行為的影響，該技術為研究神經精神疾病提供了令人興奮的新機會。
Pasca說：“我們現在可以研究健康的大腦發育以及被理解為在發育過程中紮根的大腦疾病，而不需要從人腦中切除組織，這是前所未有的細節。我們還可以利用這個新平台來測試治療神經精神疾病的新藥物和基因療法。”
這項研究發表在《自然》雜誌上。