研究大脑和神经系统疾病的神经细胞培养

理解大脑至关重要，例如用于治疗全世界六人中一人的神经系统障碍。然而，研究大脑有挑战性：它是如此复杂，难以访问。Cell Daniel Tornero博士和神经学家博士博德·索里亚诺博士从巴塞罗那大学开发出明显的神经元培养物，可用于研究脑损伤和恢复的机制，以测试干细胞治疗神经系统疾病的潜力，并产生疾病模型这有助于理解和诊断神经变性疾病。

大脑是人体中最复杂的器官。许多关于它如何运作的谜团还没有解开；科学家们仍在努力了解神经系统紊乱，并阐明大脑是如何制定策略来阻止逐渐退化或修复神经回路中的损伤的。由于其复杂性和难以获取，研究大脑是一个巨大的挑战，在过去的十年中已经演变成一个真正的多学科的努力。

神经生物学家，生物物理学家和计算机模拟专家在其他人中，加入了了解大脑的努力，并制定了理解建筑物的战略，以实现其精湛的功能。

学习大脑的最简单尚不丰富的方法之一是细胞培养物。传统上，用于培养皿上的二维细胞培养物（通常来自小鼠或大鼠神经元）和动物模型，用于检查涉及健康和疾病的神经元机制，以及理解与网络连接和神经元通信一样重要的方面。然而，2D模型不能准确地模仿大脑的所有复杂性的生理学。同样，虽然在许多情况下，动物模型是有用的工具，但它们不能精确反映人类生理学，并且并不总是重新承载人类病理学。

最近，三维体外结合使用干细胞的模型已经成为解开大脑秘密的一个有希望的工具。在巴塞罗那大学，由Tornero博士领导的一组经验丰富的细胞生物学家和由Soriano博士领导的有才华的神经物理学家，组成了一个多学科团队，在工程神经元文化中完美共生。

模仿大脑体外
体外模型比体内模型，因为神经元的数量和类型，它们的互连性，以及神经元电路的大小都可以调整。近年来，神经工程的新进展极大地增加了研究的可能性体外楷模。For example, the development of biomaterials for engineered cultures has led to the emergence of systems named ‘brain-on-a-chip’ or ‘brain-on-a-dish’, terms that conceptualise the combination of intricate neuronal circuit designs with state-of-the-art microfluidics and imaging technologies. These systems establish an体内- 在工程平台上的组织微环境，引导细胞与那些类似地行事体内。这使得例如具有类似于大脑的组织特征的3D神经元电路的建模。这些神经元系统使得可以模仿大脑的复杂性体外，并详细监测神经元活动。

他们的方法为从中风到退行性疾病的不同情况下的网络功能改变和恢复建模提供了有趣的视角。

研究人类病理学的一个重要限制是，人类神经元与实验室中使用的啮齿动物神经元之间存在潜在差异。近几十年来，以干细胞为基础的技术的发展为从胚胎干细胞（来自人类胚胎的未分化细胞，可以在实验室中生长和扩增）或通过重编程体细胞（除参与生殖的细胞外的任何身体细胞）产生具有人类起源的神经元培养开辟了可能性。这些细胞分化后，产生的人类神经元有可能用于研究和治疗神经系统疾病。然而，在考虑将它们用于这些目的之前，它们需要在功能和与脑细胞的相似性方面进行验证体内. 这可以通过电生理记录或通过钙成像监测神经元内钙水平的变化来实现。

钙显像
神经元活动的精确观察是量化神经元电路的行为及其损坏时的变化。大多数神经元通过神经递质，化学化合物触发在整个轴突中行驶的电信号并培养在轴突终端的新神经递质的形成，使电信号通过电信号。存在两种主要技术来鉴赏活动，即神经元电信号的直接记录，或者与神经递质释放相关的生物化学变化的检测。对于后者，钙已被广泛使用，因为它的流入与神经递质释放密切相关。这意味着突然增加的钙水平提供了关于神经元活动的信息。

电信号的直接记录提供了极好的信号质量，但需要电极（或其他电传感器）与神经元接触，这在三维培养环境中是非常具有挑战性的。另一方面，钙变化的检测需要使用钙荧光探针结合高灵敏度成像设备进行荧光检测。这导致了信号质量的降低，但在2D（荧光显微镜）和3D（光片显微镜）中，通过完全接触电路中的神经元来补偿。

Soriano博士和Tornero博士与光子学领域的合作者一起，利用荧光钙成像和光片显微镜观察活细胞在不同时间点的行为，以及它们形成的电路，并具有单细胞分辨率。更具体地说，托内罗博士和索里亚诺博士利用这些技术来验证他们大脑中的神经元体外培养物具有功能性，与细胞相似体内。通过手头的这些信息，神经元培养物可用于了解大脑如何通过研究不同的电路设计或通过对培养物应用受控的扰动来作用。

脑损伤和恢复
大脑的两个主要特性是可塑性和自我修复能力：当损伤发生并改变其功能时，大脑能够重组其复杂的网络以恢复。

在不同情况下会发生损坏。它可以是急性的，例如在头部损伤或中风后，或在神经退行性疾病的背景下的慢性等。脑结构局部受损导致多种程度和严重程度的功能缺陷：受影响的大脑区域无法满足其作用。突然的活动损​​失扰乱了涉及受损脑区域的神经元网络。然而，大脑能够加强和加强网络，这导致恢复：最终，改变的大脑功能部分或完全恢复。

体外神经元培养物可用作筛选工具，以检测生成疾病的早期事件，并防止神经变性的发作。

导致经济复苏的复杂功能重组所涉及的机制仍不清楚。与体外可以详细地检查方法，网络损坏和随后的恢复。在最近的一项研究中，索里亚诺博士和Tornero博士就已做到了。使用大鼠神经元培养与激光显微外科和荧光成像组合，研究人员研究了复杂的神经元网络动力学及其自发恢复。激光微型手术造成局部激光烧蚀引起急性损伤。与此同时，荧光成像允许它们在损坏之前和之后研究整个网络中的神经元活动。他们观察到激光显微镜引起的损坏导致网络活动的突然减少。邻近病变核心的区域是受影响最大的，可能是由于直接物理连接的损失。然而，病变核心周围的区域中的活动增加，这允许信息流动快速重新排出。因此，在加强现有的功能时创造了新的功能连接。这些机制允许网络仅在15分钟内恢复，网络活动回到损坏前的内容。

用他们的体外Setup，Barcelons大学的团队表明，网络活动的恢复由Lesion核心周围的直接邻居引导，但由整个网络进行策划。他们的方法提供了用于在不同情况下建模网络功能损失和恢复的有趣视角，从中风到退行性障碍。

神经变性疾病
除了在损伤和恢复过程中检测神经网络外，神经元培养也为研究神经退行性疾病提供了可能，如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症或亨廷顿氏病。由于人口老龄化和预期寿命延长，这些疾病影响到全世界越来越多的人，目前无法治愈。其特点是神经元进行性退化和死亡，导致感觉、运动和认知障碍。

潜在的治疗方法包括通过移植干细胞，可以增殖和分化成各种类型的细胞的未分化细胞来替换受损的神经元。例如，衍生自人多能干细胞的神经元具有重新连接神经元网络的能力，并在移植到中风损伤的成年大鼠脑中时改善神经缺陷。然而，直到最近，源自人多能干细胞的神经元始终被移植到动物模型中。因此，这些神经元是否可以整合到成年人脑电路中。使用工程化3D系统，索里亚诺博士和Tornero博士检查了这种可能性。他们表明，当植入小片成年人皮层的维持体外人多能干细胞衍生的神经元能建立功能性突触连接，并整合到已建立的神经网络中。他们的研究结果支持了多能干细胞衍生的神经元可以用来替代影响大脑的人类疾病中受损的神经元的观点。

体外疾病模型
托内罗博士和索里亚诺博士工作的另一个主要部分与疾病的产生有关体外模型：除了测试源自干细胞的神经元是否可以整合神经元网络，因此可以是潜在的治疗方法，它们使用来自患者的细胞来产生疾病体外模型，可用于检查疾病引起的改变并了解其潜在机制。

更具体地说，Soriano博士和Tornero博士与其他实验室合作开发了体外被称为Sanfilippo C型综合征的神经退行性疾病模型。他们从两个病人身上收集成纤维细胞（一种皮肤细胞）。利用重编程技术，他们将成纤维细胞转化为诱导的多能干细胞，然后将其分化为神经元。这些神经元呈现出了患者神经元所能观察到的所有特异性体内早期神经活动缺陷和功能连接改变。早期的功能改变是在第一症状出现之前观察到的，这意味着体外神经细胞培养可作为早期发现疾病和预防神经退行性变的筛选工具。