罕见的活体人脑组织实验产生了意想不到的发现

2021年05月03日 17:30 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

大学健康网络(UHN)下属的克雷比尔脑研究所的科学家们与成瘾和精神健康中心(CAMH)的同事合作,利用珍贵而罕见的活体人类皮质组织的机会,确定了使人类神经元独特的重要功能特征。这项实验工作是首次在活体人类神经元上进行的,也是迄今为止对人类皮层锥体细胞多样性的最大研究之一。

"这项研究的目标是了解是什么使人类脑细胞成为'人类',以及人类神经元电路是如何发挥其功能的,"UHN的神经外科医生、Krembil脑研究所的科学家和论文的共同第一作者陶菲克-瓦里安特博士说。

"在我们的研究中,我们想了解人类锥体细胞,即新皮层中的主要一类神经元,在新皮层的上层和下层之间有什么不同,"CAMH的Krembil神经信息学中心的科学家、本研究的共同第一作者Shreejoy Tripathy博士说。

"特别是,我们想了解这些神经元的电学特征如何支持跨层通信的不同方面和大脑节律的产生,众所周知,这在像癫痫这样的大脑疾病中是被破坏的。

在征得同意后,该团队使用了在常规手术中从癫痫和肿瘤患者的大脑中取出的脑组织。利用最先进的技术,该团队随后能够描述该组织切片中单个细胞的特性,包括其详细形态的可视化。

瓦里安特博士说:"由于获得活体人脑组织的罕见性,人们对活体成人神经元的形状和电特性知之甚少,因为除了癫痫手术外,很少有机会获得这种记录。"

为了使切除的组织保持活力,它被立即转移到手术室里的改良脑脊液中,然后直接带入实验室,在那里准备进行实验特性分析。

研究人体组织是很罕见的,因为获取人体组织进行科学探究需要一个紧密的多学科社区,包括愿意参与研究的病人、确保病人权利和安全的伦理学家、收集和运送样本的神经外科医生,以及拥有必要研究设施的神经科学家来研究这些组织。

在初步分析之后,Krembil神经信息中心的成员使用了进一步的大规模数据分析,以确定该队列中的神经元彼此之间的区别属性。然后将这些属性与其他对人类大脑组织样本进行类似工作的中心的属性进行了比较,包括华盛顿州西雅图的Allen脑科学研究所。

该团队的研究结果中指出:

人类新皮层锥体细胞之间存在着大量的多样性

位于人类新皮层不同层的神经元之间有不同的电生理特征

深层神经元的具体特征使它们能够支持跨层通信和产生重要功能的大脑节奏的各个方面

这些团队还发现他们的研究结果与临床前模型的类似实验之间存在明显的、意想不到的差异,Tripathy博士认为这可能反映了人类新皮层在哺乳动物和灵长类进化过程中的大规模扩张。

"这些结果展示了人类皮质锥体神经元的显著多样性,类似分类的人类神经元和临床前神经元之间的差异,以及由深层神经元驱动的人类皮质θ节律产生的合理假说,"克雷姆比尔脑研究所Valiante博士实验室的科学助理、该研究的主要作者Homeira Moradi Chameh博士说。

该团队现在能够对61名患者的200多个神经元进行特征分析,反映了迄今为止最大的数据集,囊括了UHN和Krembil脑研究所近十年的艰辛工作。

"这项独特的数据集将使我们能够建立明显的人类大脑的计算模型,这对于研究明显的人类神经病理学是非常有价值的,"Krembil脑研究所Valiante博士实验室的博士后研究员、这项工作的共同作者Scott Rich博士说。

"例如,驱动这些神经元中许多独特特征的细胞特性已知在某些类型的癫痫中会发生改变。通过在计算模型中实现这些特征,我们可以研究这些改变如何影响与癫痫有关的人脑的各种空间尺度的动态,并促进这些'基础科学'的发现回到临床,并可能成为癫痫研究新途径的动力。"

"Valiante博士说:"这项工作之所以能够实现,是因为UHN的Krembil脑科研究所有非常庞大和活跃的癫痫项目,是世界上最大的同类项目之一,也是加拿大最大的同类项目。

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