健康

実験室で培養されたヒトニューロン集合体はシナプス可塑性を効果的にモデル化する

クレジット： セルレポート （2024年）。DOI: 10.1016/j.celrep.2024.114503 人間の神経系を研究するには、脳機能の実用的で正確なモデルが必要です。セントジュードの研究者たちは、人間の人工多能性幹細胞から得た視床細胞と皮質細胞を組み合わせることで、このような研究のためのモデルを作成しました。 視床皮質系は複数の感覚および 認知プロセス研究者らは、オルガノイドと呼ばれる視床と皮質の細胞塊を培養皿内で近接させて維持することで、原始的なヒトの視床皮質系のモデルを開発した。 このモデルでは、両方のオルガノイドのニューロンが、反対側のオルガノイドまで伸びる長距離の突起（軸索）を発達させて成長し、機能的な接続（シナプス）を形成します。研究者は、これらのシナプスが刺激されると、電気信号の長期的な強化と弱化が起こることを突き止めました。これが、 シナプス可塑性特定の形式の学習と記憶の基礎となるプロセス。 新しいヒトモデルは、既存の動物モデルと比較して検証され、基礎となるメカニズムの種の違いを示し、正確なヒトモデルの重要性を強調しました。これらの発見は、 出版された 今週の セルレポート。 これまで、人間のモデルにおけるニューロンの機能を研究するために、科学者はニューロン群からの反応を測定する低解像度の方法に頼ってきました。これは、人間の単一細胞またはシナプスの反応を測定する高解像度の方法が利用できなかったためです。セントジュードの研究者は、この問題を解決したいと考えていました。 「私たちの目標は勉強するだけでなく 神経回路 「人間の脳内のニューロン間のコミュニケーションを真に理解することも必要です」と、セントジュード大学発達神経生物学部の責任著者であるスタニスラフ・ザハレンコ医学博士は述べています。「したがって、サブミクロンのシナプスレベルで個々のニューロン間の活動を測定する必要があります。」 サブミクロンレベルでのシナプスの研究 シナプス可塑性は、脳が発達し新しい情報をコード化するにつれてシナプスが長期的に強化されたり弱まったりすることに基づいていますが、これが起こるのはごくわずかなスケールであるため、人間のシナプスを研究することは、この分野における長年のジレンマとなっています。 この問題に対処するため、研究者らは脳オルガノイド研究の最近の急増を活用した。「技術は、皮質細胞や視床細胞などの特定のニューロンを培養できるレベルに達しています」とザハレンコ氏は説明する。「細胞が培養されると、オルガノイドと呼ばれる塊に自己組織化し、シナプス前部とシナプス後部の特殊化を伴う長距離突起（軸索）を発達させ始めます。」 研究者たちは、2つの異なるタイプのオルガノイドが融合すると、「アセンブロイド」が形成され、その中で2種類のニューロンが発達し続け、お互いにプロセスを送信し、通信を開始することを突き止めました。 しかし、研究者にとって、それは最初の一歩に過ぎなかった。「私たちは視床と 皮質細胞 「一緒になって、自己組織化して接続し始めた」とザハレンコ氏は説明する。「しかし、これは単にランダムで無秩序なプロセスだった可能性もあります。私たちは、それらが視床皮質シナプスと皮質視床シナプスのシナプス可塑性特性を示すことができるかどうかを確認する必要がありました。」 共同筆頭著者のクリステン・トーマス博士とメアリー・パットン博士、および共著者のアンジャナ・ニティアナンダム博士（セントジュード発達神経生物学部）は、シナプス伝達と神経可塑性を実証するヒト視床皮質神経ネットワークの細胞モデルを作成しました。提供：セントジュード小児研究病院 正確なモデルの構築 大きな障害は オルガノイド この分野の最大の課題は選択性です。ニューロンには多くの種類があり、生成する神経伝達物質に応じて通信方法が異なります。研究者らは細胞培養システムを利用して、神経伝達物質グルタミン酸の放出を介して通信するニューロンをほぼ独占的に（80% 以上）選択しました。これにより、研究者らは単一細胞電気生理学的ツールと高解像度画像を使用してシナプス可塑性を確実に測定できるようになりました。 神経接続の長期的な強化と弱化は可塑性の特徴であり、新しい橋が形成されると、古い橋を壊す必要があります。研究者はグルタミン酸シグナル伝達を監視することで、2 つの異なるニューロンが人間の脳の視床皮質系の行動を反映し、重要なことに、以前にモデル化されたものを再文脈化していることを確認しました。 「他の動物モデルに適用されたのと同じ刺激パターンを適用することができ、アセンブロイドは同じことをしたが、メカニズムがわずかに異なっていたことがわかった」とザハレンコ氏は強調した。 単一のモデル システムで完全な説明をすることはできませんが、このようなオルガノイドやアセンブロイドを神経学研究ツールキットに追加することは、この分野にとって大きな恩恵となります。たとえば、視床皮質アセンブロイド モデルは、神経疾患や精神疾患の研究に大きな可能性を秘めています。 「統合失調症、自閉症、その他の精神疾患では視床皮質障害が起こることが分かっています。 精神障害「したがって、理論的には、患者から細胞を抽出したり、健康な人間の細胞に病気を引き起こす突然変異を導入したりして、特定の病気の集合体モデルを生成することができます」とザハレンコ氏は述べた。「このモデルを使用して、既知の突然変異の結果としてのシナプス可塑性を研究することができます。」…