东京大学生产技术研究所池内与志穗准教授的研究组，利用人工诱导多功能干细胞（iPS cells）体外重建了轴突束连结大脑两个远端区域的结构（图1），成功仿制了人工大脑组织[1]。该成果已经在线发表于2019年4月19日的《iScience》上[文献1]。
图1 iPS细胞制成神经组织
人类的大脑皮层（cortex）根据功能的不同，被分成运动控制、视觉处理、语言处理等多个不同区域（图2）。皮层主要是由神经元的细胞体、神经胶质细胞、微血管等组成，颜色较深，又被称为灰质（gray matter）。皮层下方髓质部分主要是神经元轴突组成的束状组织，轴突外报备的髓鞘颜色较浅，所以髓质又被称为白质（white matter）。皮层上空间分离的各功能区域间的信号处理，全有赖于白质束状组织的介导统合。但是，束状组织内的轴突布线异常复杂。为了研究脑内回路和解析大脑工作机制，亟需搭建一个简化的实验模型体系。
图2 大脑白质不同功能区域划分 （Antranik.org）
该研究团队之前已经开发出在特制微装置内通过培养运动圣经组织来高效制备束状轴突组织的技术。在此基础上，本次又成功制成了连结两个人工大脑组织的束状轴突组织。团队首先利用约1万个iPS细胞分化成球状脑神经组织，在微装置的两端各放一个进行培养。该分化出的组织，既存在只有大脑神经才表达的特异性蛋白，又呈现出脑神经发育中特有的构造，从而确认该分化组织为类脑神经组织。培养开始后，大多数神经细胞开始伸展出轴突；培养25日后，两边轴突通过微装置中间狭长缝隙通道对接成功，形成由轴突束连结两个人工大脑组织的体外脑神经模型（图3）。
图3 体外制备神经元轴突的微装置
对人工脑神经连结部分进行免疫染色，观察到神经轴突特有的标记性蛋白，同时未发现神经元胞体和树状突起等结构。利用电子显微镜观察，束状组织中轴突呈现出整齐划一、非常规则的排列形式（图4）。由此可说明，两个远端的人工脑神经组织自发地通过延伸轴突形成束状轴突组织进行了连结交流。
图4 人工脑神经轴突束
另外，如果仅在微装置的一侧放置诱导后的球状人工脑神经组织进行培养，另一侧空置或者放置对照性玻璃球，轴突的延展效率都会较两边同时放置球状人工脑神经组织时大打折扣，并且很难自发凝集成束。如果不使用微装置，而是把球状人工脑神经组织放置在不受空间约束的培养皿中培养，轴突可以向任一方向伸展而根本不会形成束状轴突组织。以上观察可以推测，两个人工脑神经组织间在轴突延伸过程中存在促进性的相互作用。
利用钙成像技术进行电生理实验，当一个球状组织被电刺激后，另一个球状组织也能检测到信号，说明二者之间进行了信息交换。而且轴突束另一端的球状组织，比直接受到电刺激的球状组织反应晚数十毫秒，该人工脑神经组织可视作大脑两个远端区域间信息传递的模型（图5）。
图5 对人工神经组织利用钙成像法进行电生理实验
接下来，该团队还研究了基因对模型轴突束形成的作用。已知L1CAM基因在正常机体轴突束的形成中有着不可或缺的地位。一旦L1CAM变异，会导致大脑内最大的白质带-连接左右两个大脑半球的胼胝体（Corpus callosum）-缺损。研究团队利用敲出LICAM基因的iPS细胞进行人工神经组织实验时发现，形成轴突束的效率也同步大幅降低（图6）。说明该模型不仅可用于模拟人体大脑神经组织发育过程，而且还可以用于构建中枢神经系统疾病模型。
图6 L1CAM基因敲除对人工轴突形成的影响
供稿 宋傑 东京大学博士
编辑修改 JST客观日本编辑部
相关文献：
1.Takaaki Kirihara, Zhongyue Luo, Siu Yu A. Chow, Ryuji Misawa, Jiro Kawada, Shinsuke Shibata, Farad Khoyratee, Carole Anne Vollette, Valentine Volz, Timothée Levi, Teruo Fujii, Yoshiho Ikeuchi. A human iPS cell-derived tissue model of a cerebral tract connecting two cortical regions. iScience. DOI：10.1016/j.isci.2019.03.012
相关链接：
1.东京大学新闻稿
