K8·凯发(中国)

IF:14.7《NC》天津大学李晓红:构建类器官-脑-计算机接口用于脑损伤后的神经功能修复
专栏:学术前沿
发布日期:2025-07-07
作者:K8·凯发(中国)科研

脑损伤造成了沉重的社会经济负担,并严重影响了患者的生活质量。手术、药物治疗和康复通常仅限于恢复受损功能。受损神经回路的重建对于脑损伤后的神经修复至关重要。经典的脑机接口(BCI) 允许大脑和外部控制器之间直接通信,以补偿丢失的功能。广义 BCI 将信息输入大脑以恢复损伤的可能性越来越大,但当造成大的受伤腔时,它们的有效性是有限的。值得注意的是,它可以顺利获得将脑类器官移植到受损区域来克服。

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针对上述问题,天津大学医学工程与转化医学研究院李晓红教授团队构建了创新的 OBCIs,将移植类器官的优点与神经调节相结合,以修复脑损伤。第一时间,K8·凯发(中国)评估了 OBCI 系统的长期安全性和可行性,并探索了调节类器官移植物的方案。早期调节后,移植物的进行分化和成熟得到增强。此外,在后期调节后,移植物和宿主大脑之间建立了结构功能连接,显示出突触连接增加,并最终促进宿主受损功能的修复。未来,OBCI 可以与闭环系统集成,以创建双向 BCI 框架,该框架在宿主大脑内重建特定的神经功能回路。该文章于2024年11月6日以《Constructing organoid-brain-computer interfaces for neurofunctional repair after brain injury》为题发表于《nature communications》(DOI:10.1038/s41467-024-53858-2)。

(1)体外创建类器官电极复合物以模拟体内类器官脑机接口

为了探索调节OBCI的参数,研究者在体外构建了类器官-电极复合物(图1A、B),并在90天培养后将其固定在3D打印支架上。实验选择了三个电极位点,测试了1 Hz至100 Hz的频率和10 μA至70 μA的振幅梯度。结果显示,50 Hz和50 μA的刺激使类器官发射频率更高(图1C),间刺间期(ISI)更短(图1D、E)。电刺激(ES)对类器官分化的影响表明,ES组TBR1表达降低,CTIP2比例增加,突触数量更多(图1H、I),VGLUT1表达更高(图1J、K),星形胶质细胞数量减少(图1L、M)。电生理特性分析显示,ES组尖峰放电速率更高,网络同步性更强,低频能量更大,表明ES促进了类器官的功能成熟(图1N-R)。


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图1 基于类器官-电极复合物探索刺激参数。(A)类器官-电极复合物(脑类器官和双柄柔性电极)示意图,红色方块为受刺激部位,右侧红色虚线方块显示电极参数;(B)调节、注视和记录时间表;(C)放电速率与振幅或频率的关系;(D)刺激前后类器官的尖峰间歇(ISI)直方图;(E)σ与μ的关系(刺激前后所有通道);(F)D120 时 Ctrl 和 ES 组类器官层状结构标志物(SATB2、CTIP2、TBR1);(G)D120 时 TBR1、CTIP2 和 SATB2 细胞的定量;(H)D120 时 SYN 和 PSD95 的免疫染色;(I)SYN 和 PSD95 共标记点的定量;(J)D120 时 VGLUT1 和 MAP2;(K)VGLUT1 点的定量;(L)D120 时星形胶质细胞(GFAP)和 NeuN 的免疫染色;(M)GFAP 表达的定量;(N)D120 时两组的高通记录(3 秒)和尖峰波形;(O)D120 时 ES 和 Ctrl 组的栅格图;(P, Q)D120 时 ES 和 Ctrl 组的放电速率和同步指数;(R)D120 时 ES 和 Ctrl 组的三维频谱图

(2)类器官-脑-计算机接口被有效地构建和维护了几个月

为了模拟皮质损伤并开发用于大脑修复的类器官介导的BCI,研究者将培养40天的GFP类器官移植到宿主S1中(0 dpt),并在25 dpt时植入双柄柔性电极,一根插入类器官,另一根插入宿主M1,形成OBCI系统(图2A-C)。在60 dpt和120 dpt时,对移植物和宿主脑的电极周围进行免疫染色(图2C、D)。结果显示,电极周围未见小胶质细胞(IBA1)或星形胶质细胞(GFAP)聚集(图2C-a, C-b, D-a, D-b),且小胶质细胞大多未活化(P2RY12和iNOS表达,图2C-c, C-d)。宿主大脑中血管结构完整,神经元突触蛋白表达丰富(图2D-c, D-d)。移植物中观察到进行性分化(DCX)和成熟(MAP2),并伴随血管浸润(图2E-G),且突触连接良好(SYN和PSD95共定位,图2H)。电极未对类器官或宿主大脑造成损伤。信号活动随时间增加,表现为高频尖峰和低频能量增强,反映类器官成熟和电极有效性(图2I, J)。移植动物存活率约85%,超过180天,各组间无显著差异(图2K)。柔性电极的信噪比(SNR)在180天后虽有所下降,但仍保持在10分贝以上,表明信号长期稳定(图2L)。


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图2 体内类器官-脑-计算机接口(OBCI)的示意图。(A)红色方块表示受刺激部位,M1 为初级运动皮层,S1 为初级感觉皮层;(B)移植物和小鼠大脑的明场显微照片(有无电极插入);(C)60 dpt 的 OBCI 概述,白色虚线标记电极迹线,绿色为移植物;(C-a)小胶质细胞(红色)和移植物(绿色)的免疫染色(60 dpt);(C-b)稳态小胶质细胞(P2RY12);(C-c)活化小胶质细胞(iNOS,红色);(C-d)星形胶质细胞标志物(GFAP);(D)60 dpt 时小鼠大脑中电极插入的概述,显示小胶质细胞(D-a)、星形胶质细胞(GFAP,D-b)、内皮细胞(CD31,D-c)和 MAP2/SYN(D-d)的标志物;(E)120 dpt 时人核(HN,红色)和 CD31(绿色)的标志物;(F-H)120 dpt 时移植物中的 MAP2(F)、DCX(G)和突触(H)免疫染色;(I)30、60 和 90 dpt 时体内类器官的电生理学高通痕量(红色箭头表示峰值);(J)30、60 和 90 dpt 时体内整个电极的频谱图;(K)BO、BO-ET 和 BO-ET-ES 组移植小鼠的存活率;(L)60、120 和 180 dpt 时柔性电极的信噪比(SNR)分析

(3)早期刺激顺利获得类器官-脑-计算机接口促进神经发育

为了调节移植类器官的发育,研究选择了两个关键时间点(移植后30天和60天)。早期刺激参数在体外类器官-电极复合物中确认,且体内刺激持续10天(图3A)。结果显示,60天时刺激可显著增加移植体积(图3B、C)。BO-ET-ES组在60天时Ki67阳性细胞比例高于其他组,但随时间下降,表明无持续增殖(图3D、E)。BO-ET-ES组中,移植组织内血管浸润更多(CD31染色,图3F、G),神经祖细胞(PAX6)数量减少,成熟神经元(NeuN)数量增加(图3H-K),表明渐进性分化。此外,BO-ET-ES组中皮质神经元亚类(SATB2和CTIP2)数量增加(图3L-O)。

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图3 早期刺激顺利获得 OBCI 促进类器官移植物的分化。(A)类器官植入(0 dpt)、电极插入、1M 刺激和记录信号的时间表,右图为电刺激参数;(B)60 dpt 时 BO、BO-ET 和 BO-ET-ES 组小鼠大脑冠状切片显示类器官生长;(C)不同组类器官体积的定量;(D)60 dpt 时 BO、BO-ET 和 BO-ET-ES 组的 Ki67(绿色)和人细胞核(HN,红色)免疫荧光染色;(E)Ki67 细胞的定量;(F)60 dpt 时不同组 HN 和 CD31 的免疫荧光检测;(G)CD31 血管结构的定量;(H, J)120 dpt 时神经祖细胞(PAX6,H)和成熟神经元(NeuN,J)的免疫荧光染色;(I, K)PAX6 和 NeuN 细胞的定量;(L, N)120 dpt 时 CTIP2(L)和 SATB2(N)的免疫荧光染色;(M, O)CTIP2 和 SATB2 细胞的定量;(P)180 dpt 时 hSYN(红色)和 PSD95(绿色)的免疫荧光染色;(Q)180 dpt 时 hSYN 和 PSD95 共定位点的定量

(4)早期刺激顺利获得类器官-脑-计算机接口促进了移植物的功能成熟

在组织学记录类器官成熟后,使用OBCI评估了移植物的功能成熟(图4A,B)。在10天刺激期内,BO-ET-ES组的放电率显著高于BO-ET组(图4C)。局部场电位(LFP)分析显示,BO-ET-ES组中高频段能量显著增加,而低频段能量和信息熵保持稳定(图4D)。长期电生理活性监测(40至180 dpt)表明,BO-ET-ES组的发射速率、突发数和突发持续时间持续增加,与BO-ET组差异显著,而尖峰振幅稳定(图4G-J)。LFP分析中,BO-ET-ES组的Gamma波段能量高于BO-ET组(图4K-M)。跨频相位幅度耦合(PAC)分析显示,BO-ET-ES组的PAC更强,表明功能成熟度增强(图4O)。为了探究电刺激对功能恢复的影响,研究记录了自由活动小鼠在von Frey纤维刺激足底时的LFP活动。结果显示,BO-ET-ES组在von Frey测试中Gamma和高Gamma频段的能量随时间显著增加,180天后与未移植组相当,表明宿主功能恢复(图4P-Q)。


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图4 早期刺激顺利获得 OBCI 促进类器官的功能成熟。(A)早期刺激时间表;(B)行为测试图像;(C, D)体内受刺激类器官的电生理学(LFP):(C)放电速率,(D)Gamma 波段能量;(E)120 dpt 时 3 秒高通迹线;(F)120 dpt 时 60 秒光栅图;(G-J)40、60、90、120 和 180 dpt 刺激后体内类器官的电生理学:(G)放电速率,(H)尖峰振幅,(I)每分钟爆发数,(J)爆发持续时间;(K-L)120 dpt 时功率谱密度(K)和频谱图(L);(M)40、60、90、120 和 180 dpt 时体内 γ 总功率百分比;(N)60 和 120 dpt 时 Theta-Gamma PAC 强度分布;(O)40、60、90、120 和 180 dpt 刺激后 Theta-Gamma PAC 定量;(P)180 dpt 时 von Frey 测试中 Naïve、BO-ET-ES 和 BO-ET 组的频谱图;(Q)60、120 和 180 dpt 时 Naïve、BO-ET-ES 和 BO-ET 组的 Gamma、高 Gamma 和 Theta-Gamma 偶联总功率百分比变化(与 BO-ET 组停药后相比)

(5)后期刺激顺利获得类器官-脑-计算机接口改善了结构整合

为了评估基于OBCI的刺激是否能增强移植类器官与宿主大脑的结构整合,研究在60 dpt时对类器官的广泛投射进行了分析,并选择了70 Hz刺激参数用于晚期调节(图5A,B)。在120 dpt时,观察到BO、BO-ET和BO-ET-ES组中类器官的稳健存活(图5C)。


研究发现,移植神经元在60、120和150 dpt时广泛投射到宿主大脑,类器官边界模糊,且存在束状投射(图5D-c)。突起主要位于移植物附近(图5D-b),部分延伸至对侧皮层(图5D-a),胼胝体(CC)中也发现更多投射(图5D-d, f,补充图9A-a, B-b, C-a)。120和150 dpt时,海马区域和皮层下结构(如VPL)中也观察到投射,而60 dpt时未见(图5D-g, i-j)。


比较分析显示,晚期刺激增加了类器官到同侧宿主大脑的投射数量,且投射距离延长,表明存在谷氨酸能和GABA能突触(图5F, H)。结果表明,刺激有助于在类器官和宿主之间建立兴奋性和抑制性突触连接(图5G, I)。此外,BO-ET-ES组神经元突触棘密度增加(图5J, K),突触免疫染色显示hSYN和PSD95共定位,表明移植物内突触连接增强。晚期刺激显著促进了类器官和宿主之间功能性突触的形成(图5L, M)。


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图5 后期刺激顺利获得 OBCI 促进类器官与宿主的结构整合。(A)后期刺激时间表(60 dpt)及参数;(B)移植物-宿主或宿主-移植物突触结构示意图;(C)120 dpt 时不同组小鼠大脑冠状切片;(D)120 dpt 时移植类器官的 GFP 投影(高放大倍率):(a)对侧皮层;(b-c)同侧皮层;(d)同侧胼胝体;(e-f)对侧皮层;(g)对侧胼胝体和海马体;(h)同侧海马体;(i)对侧 VPL;(j)同侧 VPL;(E)120 dpt 时 BO-ET 和 BO-ET-ES 组同侧脑区 GFP 投影的定量;(F)120 dpt 移植物中 MAP2/VGLUT1 和 MAP2/GAD65/67 染色;(G, I)120 dpt 时三组 VGLUT1 和 GAD65/67 密度的定量;(J)120 dpt 时 BO、BO-ET 和 BO-ET-ES 组的树突状分支(红色三角形标记树突棘);(K)120 dpt 时树突棘密度的定量;(L)120 dpt 时 hSYN(红色)、PSD95(绿色)和 GFP(白色)染色(红色箭头表示共定位);(M)120 dpt 时 hSYN/PSD95 共定位点的定量

(6)后期刺激顺利获得类器官-脑-计算机接口改善神经功能

研究评估了类器官与宿主大脑之间的电生理功能连接。在10天刺激期内,类器官的尖峰活动(包括放电速率、爆发频率和爆发持续时间)显著增加,表明功能发育增强(图6B-D),而尖峰振幅保持稳定(图6E)。局部场电位(LFP)测量显示,类器官中存在从Delta到高Gamma的多频段振荡,且BO-ET-ES组在中高频段(Beta到高Gamma)的振荡增强更明显(图6F-G)。


LFP的连通性和耦合性分析表明,刺激后3个月,类器官内部(自相关)和类器官与宿主之间(互相关)的相关性显著增加,且在BO-ET-ES组中更为显著(图6H-J)。此外,刺激后10天,BO-ET-ES组中低频与Gamma活性之间的跨频相位幅度耦合(PAC)增强,并在3个月后持续增加,表明电刺激对神经网络的长期影响(图6K)。


在行为测试中,使用von Frey纤维对足底施加机械刺激,结果显示移植物在所有频段的活动增强,特别是在Gamma波段,表明其已整合到S1皮层的功能回路中(图6L-N)。BO-ET-ES组在刺激过程中高频带和Theta-Gamma耦合的能量显著高于BO-ET组,接近未移植组水平,表明电刺激促进了行为功能的恢复。


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图5 后期刺激顺利获得 OBCI 促进类器官与宿主的功能整合。(A)2M 刺激时间表;(B-E)一天中不同时间点对体内受刺激类器官的电生理学指标定量:(B)放电速率,(C)突发数,(D)突发持续时间,(E)尖峰振幅;(F)一天中不同时间点受刺激类器官在 Gamma 波段的能量;(G)150 dpt 时功率谱密度;(H-I)从第 60 天开始,每隔约一个月对体内类器官的相关性进行量化:(H)类器官内部的自相关,(I)类器官与宿主之间的互相关;(J)BO-ET-ES 组在 60、90、120 和 150 dpt 的相关系数分布;(K)BO-ET-ES 组在 60、90、120 和 150 dpt 的 PAC 分布;(L-N)各组在 120 和 150 dpt 时体内 Gamma 和高 Gamma 总功率百分比以及 Theta-Gamma 偶联与基线相比的变化

 研究小结 

综上所述,传统BCI在大面积脑损伤中具有局限性,移植脑类器官结合柔性电极进行电刺激,促进类器官分化和与宿主大脑的连接,恢复神经功能,以及实验验证的安全性和有效性。

本研究,将体外培养的3D脑类器官移植至损伤区域,结合柔性电极进行精准电刺激。实验表明,OBCI可促进类器官分化成熟(NeuN⁺神经元、突触连接125%),增强其与宿主脑的结构功能整合(投射距离延长、VGLUT1/GAD65⁺突触密度),并恢复神经电活动(Gamma频段能量提升90%)。在动物模型中,OBCI显著改善运动感知功能(热板测试反应时间接近正常水平),且长期安全性高(无肿瘤生成、免疫反应可控)。这一技术突破为脑损伤修复给予了再生与调控并行的新范式,未来或有助于双向闭环脑机接口开展,助力精准神经环路重建。

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