研究人员制造出混合大脑:让一个物种的神经元帮助另一个物种

摘要:

新研究表明,在小鼠胚胎中加入大鼠干细胞可产生"混合大脑",当小鼠的嗅觉被移除时,大鼠细胞会介入恢复其功能。这是首次使用一种动物的细胞来挽救另一种动物的感官,代表着再生医学向前迈进了一步。

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大鼠(红色)和小鼠(绿色)神经元的混合体在混合大脑中形成了环形气味处理中心

什么是混合大脑?听起来像是科幻电影情节中的东西--或者是史蒂夫-马丁主演的80年代古怪喜剧--但它实际上是两个物种细胞的结合,发育成一个完整的功能性大脑。因此,杂交脑通过创建"合成"神经回路来恢复受损或退化大脑的功能,对于推动再生神经科学的发展非常重要。

在哥伦比亚大学欧文医学中心研究人员领导的一项新研究中,大鼠干细胞在发育初期就被引入到小鼠细胞中,从而产生了利用整合的大鼠细胞嗅觉的小鼠大脑。

哥伦比亚大学瓦格罗斯内外科医学院遗传学和发育学教授、该研究的共同通讯作者克里斯汀-鲍德温(Kristin Baldwin)说:"我们拥有漂亮的培养皿细胞模型和称为器官组织的三维培养物,它们都有各自的优点。但它们都无法让你确定细胞是否真正发挥了最高水平的功能。这项研究开始向我们展示,我们如何扩大大脑的灵活性,使其能够容纳来自人机界面或移植干细胞的其他类型的输入。"

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大鼠-小鼠嵌合体的制作示意图 Throesch 等人

研究人员将大鼠胚胎干细胞植入小鼠胚泡(受精卵分裂而成的细胞团),然后将胚泡移植到代孕小鼠妈妈的子宫内发育。尽管在进化过程中存在差异(大鼠大脑发育较慢,体积较大),但研究人员观察到,大鼠细胞与小鼠神经元同步生长。在成熟的大鼠-小鼠或嵌合体中,大鼠细胞整合成整个小鼠大脑的神经回路,并与小鼠神经元形成活跃的连接。

鲍德温说:"几乎在整个小鼠大脑中都能看到大鼠细胞,这让我们相当惊讶。它告诉我们,插入的障碍很少,这表明许多种小鼠神经元都可以被类似的大鼠神经元取代。"

接下来是测试大鼠细胞的功能能力,以及它们是否能取代受损的小鼠神经元。研究人员开发了小鼠模型,这些小鼠的嗅觉神经元(OSNs)在基因上有缺陷或被消融,即被破坏,而嗅觉神经元是检测和传递气味信息的神经元。他们发现,大鼠细胞拯救了小鼠大脑。

鲍德温说:"我们在每个小鼠笼子里都藏了一块饼干,结果非常惊讶地发现,它们能通过大鼠神经元找到饼干。"

然而,与OSN被破坏的小鼠相比,OSN被基因沉默(即神经元存在,只是不工作)的小鼠找到饼干的成功率较低。

这表明,增加替代神经元并非"即插即用"。如果想获得功能性替代神经元,可能需要清空闲置在那里的功能障碍神经元,这可能是某些神经退行性疾病的情况,也可能是自闭症和精神分裂症等神经发育障碍的情况。研究人员在研究中遇到的一个问题是,大鼠细胞随机分布在不同的小鼠体内,这阻碍了他们将研究扩展到其他神经系统。目前,他们正试图找到驱动插入细胞发育成特定细胞类型的方法,这可能会提供更高的精确度。扫清这一障碍将为创造具有灵长类神经元的混合大脑铺平道路,这将帮助我们更接近了解人类疾病。

这项研究发表在《细胞》杂志上。

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