哈佛大學提出「片上多區域大腦」：建模大腦不同區域之間的連接

研究者研發出了一種對大腦三個不同區域的連接建模的「片上多區域大腦（multiregional brain-on-a-chip）」。該體外模型可被用於廣泛描述大腦不同區域內神經元差異的特性以及模仿人腦系統的連接。

新模型通過在晶元上連接三個不同大腦區域來模仿大腦的連接。該圖片來自哈佛疾病生物物理學研究組。

哈佛大學研究者已經開發出了一種「片上多區域大腦」來對大腦內部三個不同區域間的連接方式建模。該體外模型可被廣泛用於描述大腦不同區域內神經元差異的特性和模仿人腦系統的連接。

該篇研究發布在Journal of Neurophysiology上。

Ben Maoz 說道：「人類的大腦遠比單個的神經元複雜得多的多。」Ben Maoz 是論文共同第一作者，同時也是哈佛大學 John A. Paulson 工程與應用科學學院（SEAS）疾病生物物理研究組的博士後。他說：「大腦複雜度就複雜在不同類型的神經元和不同區域間的連接方式上。對大腦建模時，因為有許多不同的疾病攻擊那些大腦不同區域間的連接，所以你不得不對這些連接做出總結（recapitulate）。」

「美國醫療保健的預算中大約有 26% 花在了神經和精神疾病上。」Kit Parker 說道。他是 SEAS 生物工程和應用物理學 Tarr Family 教授和哈佛大學生物啟發工程懷斯研究所核心教師。「支持療法開發的工具，以減輕這些患者的痛苦不僅是人類做的事情，它是降低這種成本的最好方法。」來自 SEAS 疾病生物物理研究組和懷斯研究所的研究人員模擬了受精神分裂症影響最大的大腦的三個區域——杏仁體、海馬體和前額葉皮層。

他們的研究首先是表徵每個區域的神經元的細胞組成、蛋白質表達、代謝和電活動。

論文共同第一作者和疾病生物物理學小組前博士後研究員 Stephanie Dauth 說「不同區域的神經元不同，這並不奇怪，但震驚的是它們是如此的不同。」他說，「我們發現細胞類型比例、代謝、蛋白質表達和電活動在體外區域之間都不同，這表明你和哪一片大腦區域的神經元打交道確實有影響。」

接下來，團隊研究了這些神經元在彼此通信時如何變化。為此，他們獨立地培養來自每個區域的細胞，然後讓細胞通過嵌入晶元中的引導途徑建立連接。

然後研究人員再次測量細胞組成和電活動狀況，發現當細胞與來自不同區域的神經元接觸時，細胞發生了顯著的變化。

Maoz 說：

當細胞與其他區域通信時，培養物的細胞組成改變、電生理學改變，所有這些神經元的固有性質改變。這顯示了將不同的腦區域實施到體外模型中是多麼重要，特別是在研究神經系統疾病如何影響大腦的連接區域時。

為了證明該晶元在疾病建模中的功效，研究小組使用藥物 Phencyclidine hydrochloride（通常稱為 PCP）摻入腦部不同區域，模擬精神分裂症。該片上大腦第一次實現了既允許研究人員查看藥物對個體區域的影響同時觀察其對體外互連區域的下游效應。

該片上大腦可用於研究任何數量的神經和精神疾病，包括藥物成癮、創傷後應激障礙和創傷性腦損傷。

Parker 說：

到目前為止，連接組計劃（Connectome project）還沒有識別大腦中的所有網路。在我們的研究中，我們顯示細胞外基質網路是區分不同腦區域的重要組成部分，隨後，這些腦區域的生理和病理生理過程是獨一無二的，這種進步不僅能夠開發療法，還能夠激發關於我們如何思考、感覺和生存的基本見解。

論文：來自不同大腦區域的神經元在體外是固有不同的：一種全新的片上多區域大腦（Neurons derived from different brain regions are inherently different in vitro: A novel multiregional brain-on-a-chip）

摘要

腦體外模型對於發展我們對基本神經系統細胞生理學、化學物質的潛在神經毒性作用和許多疾病狀態的特定細胞機制的理解至關重要。在這項研究中，我們尋求解決當前大腦體外模型的關鍵缺點：缺乏來源於不同的大腦區域和多區域大腦體外模型的細胞的比較數據。我們表明大鼠神經元不同的腦區域展示了關於其細胞組成、蛋白質表達、代謝和體外電活動獨特的配置文件。在體內腦在結構和功能組織方面是獨特的，不同腦區之間的相互作用和溝通是正確的大腦功能的必要組成部分。來自大腦不同區域的神經元表現出獨特的行為這個事實和觀察強調了建立多區域大腦體外模型的重要性。因此，我們在這裡開發了一個多區域片上大腦，觀察到整體放電活動以及星形膠質細胞和特定的神經元細胞類型的數量與單獨培養的神經元相比減少許多。此外，該多區域模型用於研究苯環利定（一種已知在體內誘導精神分裂症樣癥狀的藥物）對單獨腦區域的作用，同時監測對互連區域的下游效應。總體而言，這項工作提供了來自不同大腦區域的細胞的體外比較，並引入片上多區域大腦，使得發展獨特的結合必要的體內功能的疾病模型成為了可能。