東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所池內(nèi)與志穗準教授的研究組,，利用人工誘導(dǎo)多功能干細胞（iPS cells）體外重建了軸突束連結(jié)大腦兩個遠端區(qū)域的結(jié)構(gòu)（圖1），成功仿制了人工大腦組織,。該成果已經(jīng)在線發(fā)表于2019年4月19日的《iScience》上,。

圖1 iPS細胞制成神經(jīng)組織

人類的大腦皮層（cortex）根據(jù)功能的不同，被分成運動控制,、視覺處理,、語言處理等多個不同區(qū)域（圖2）。皮層主要是由神經(jīng)元的細胞體,、神經(jīng)膠質(zhì)細胞,、微血管等組成，顏色較深,，又被稱為灰質(zhì)（gray matter）,。皮層下方髓質(zhì)部分主要是神經(jīng)元軸突組成的束狀組織，軸突外報備的髓鞘顏色較淺,，所以髓質(zhì)又被稱為白質(zhì)（white matter）,。皮層上空間分離的各功能區(qū)域間的信號處理，全有賴于白質(zhì)束狀組織的介導(dǎo)統(tǒng)合,。但是,，束狀組織內(nèi)的軸突布線異常復(fù)雜。為了研究腦內(nèi)回路和解析大腦工作機制,，亟需搭建一個簡化的實驗?zāi)Ｐ腕w系,。

圖2 大腦白質(zhì)不同功能區(qū)域劃分 （Antranik.org）

該研究團隊之前已經(jīng)開發(fā)出在特制微裝置內(nèi)通過培養(yǎng)運動圣經(jīng)組織來高效制備束狀軸突組織的技術(shù),。在此基礎(chǔ)上,，本次又成功制成了連結(jié)兩個人工大腦組織的束狀軸突組織。團隊首先利用約1萬個iPS細胞分化成球狀腦神經(jīng)組織,，在微裝置的兩端各放一個進行培養(yǎng),。該分化出的組織，既存在只有大腦神經(jīng)才表達的特異性蛋白,，又呈現(xiàn)出腦神經(jīng)發(fā)育中特有的構(gòu)造,，從而確認該分化組織為類腦神經(jīng)組織。培養(yǎng)開始后,，大多數(shù)神經(jīng)細胞開始伸展出軸突,；培養(yǎng)25日后，兩邊軸突通過微裝置中間狹長縫隙通道對接成功，形成由軸突束連結(jié)兩個人工大腦組織的體外腦神經(jīng)模型（圖3）,。

圖3 體外制備神經(jīng)元軸突的微裝置

對人工腦神經(jīng)連結(jié)部分進行免疫染色,，觀察到神經(jīng)軸突特有的標記性蛋白，同時未發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元胞體和樹狀突起等結(jié)構(gòu),。利用電子顯微鏡觀察,，束狀組織中軸突呈現(xiàn)出整齊劃一、非常規(guī)則的排列形式（圖4）,。由此可說明,，兩個遠端的人工腦神經(jīng)組織自發(fā)地通過延伸軸突形成束狀軸突組織進行了連結(jié)交流。

圖4 人工腦神經(jīng)軸突束

另外,，如果僅在微裝置的一側(cè)放置誘導(dǎo)后的球狀人工腦神經(jīng)組織進行培養(yǎng),，另一側(cè)空置或者放置對照性玻璃球，軸突的延展效率都會較兩邊同時放置球狀人工腦神經(jīng)組織時大打折扣,，并且很難自發(fā)凝集成束,。如果不使用微裝置，而是把球狀人工腦神經(jīng)組織放置在不受空間約束的培養(yǎng)皿中培養(yǎng),，軸突可以向任一方向伸展而根本不會形成束狀軸突組織,。以上觀察可以推測，兩個人工腦神經(jīng)組織間在軸突延伸過程中存在促進性的相互作用,。

利用鈣成像技術(shù)進行電生理實驗,，當一個球狀組織被電刺激后，另一個球狀組織也能檢測到信號,，說明二者之間進行了信息交換,。而且軸突束另一端的球狀組織，比直接受到電刺激的球狀組織反應(yīng)晚數(shù)十毫秒,，該人工腦神經(jīng)組織可視作大腦兩個遠端區(qū)域間信息傳遞的模型（圖5）,。

圖5 對人工神經(jīng)組織利用鈣成像法進行電生理實驗

接下來，該團隊還研究了基因?qū)δＰ洼S突束形成的作用,。已知L1CAM基因在正常機體軸突束的形成中有著不可或缺的地位,。一旦L1CAM變異，會導(dǎo)致大腦內(nèi)最大的白質(zhì)帶-連接左右兩個大腦半球的胼胝體（Corpus callosum）-缺損,。研究團隊利用敲出LICAM基因的iPS細胞進行人工神經(jīng)組織實驗時發(fā)現(xiàn),，形成軸突束的效率也同步大幅降低（圖6）。說明該模型不僅可用于模擬人體大腦神經(jīng)組織發(fā)育過程,，而且還可以用于構(gòu)建中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型,。

圖6 L1CAM基因敲除對人工軸突形成的影響

供稿：宋傑 東京大學(xué)博士