微型人类大脑揭秘大脑的自我连接机制

融合后第14天，丘脑区域的轴突（粉色）向大脑皮层延伸，而皮层区域的轴突（绿色）则向丘脑延伸。

科学家在实验室中重构出人类大脑神经环路，发现丘脑在大脑皮层的神经连接形成过程中扮演着核心调控角色。该研究成果为揭示大脑神经网络的形成机制，以及阐释其为何有时会发育异常提供了全新视角。

日本一支研究团队利用名为**类脑组装体**的微型多区域脑模型，在实验室中重建了人类关键神经环路。这类模型由诱导多能干细胞培育而成，将多个类脑区域整合为单一功能系统。研究人员通过该模型证实，丘脑在塑造人类大脑皮层特化神经环路的过程中发挥着至关重要的作用。

该研究成果发表于《美国国家科学院院刊》。

大脑皮层神经环路的重要意义

大脑皮层中存在多种类型的神经元，这些神经元必须与彼此及大脑其他区域实现顺畅的信号交流，而这类相互作用是感知、学习、认知等核心心智能力的重要支撑。

在自闭症谱系障碍等神经发育性疾病患者体内，这些皮层神经环路的发育往往存在异常，或功能发生紊乱。厘清大脑神经网络的形成机制，是探明此类疾病生物学根源、研发更有效治疗手段的关键一步。

丘脑与大脑神经环路的发育

长期以来，针对啮齿动物的研究表明，丘脑在皮层神经环路的构建过程中起到关键作用，但丘脑与大脑皮层究竟如何协同作用，塑造人类大脑中的这类神经环路，此前一直未有明确答案。

由于人类脑组织的获取存在极大限制，直接在人体中研究这一过程面临着巨大的伦理与技术挑战。为突破这一障碍，科学家将研究方向转向了**类器官**——这类由干细胞培育而成的三维结构，与真实人体器官具有相似特征。

类脑组装体实现多脑区的协同研究

尽管类器官是极具价值的研究模型，但单一类器官无法模拟出多个脑区之间的相互作用。为弥补这一缺陷，研究人员研发出类脑组装体技术：通过物理方式将两个及以上类器官融合，使其能够实现相互作用。

名古屋大学药学研究生院的osakada文隆教授、西村雅俊研究生及其研究团队，便利用这一技术在实验室中重建了丘脑与大脑皮层的相互作用体系。

研究团队首先利用人类诱导多能干细胞，分别培育出大脑皮层类器官与丘脑类器官，随后将二者融合形成类脑组装体，以此近距离观察发育过程中两个脑区的信号交流方式。

实验室构建的神经环路复刻人类大脑连接特征

研究人员观察到，丘脑区域的神经纤维向大脑皮层方向生长，而皮层区域的神经纤维则向丘脑方向延伸，这些不断生长的轴突相互形成突触连接，与人类大脑中的神经连接特征高度相似。

为探究这类相互作用对发育过程的影响，研究团队将类脑组装体中皮层部分的基因表达情况，与单独培育的皮层类器官进行对比。结果发现，与丘脑相连的皮层组织展现出更高的成熟度，这表明丘脑与皮层间的信号交流对皮层的生长和发育具有促进作用。

丘脑信号驱动神经元的同步化活动

研究人员还探究了神经信号在类脑组装体中的传导方式，发现神经活动以波状模式从丘脑传导至大脑皮层，进而在皮层神经元间形成同步化的神经网络。

随后，研究团队检测了大脑皮层中三种主要的兴奋性神经元亚型的活动情况，即端脑内神经元、锥体束神经元和皮层丘脑神经元，以此明确哪些神经元参与了这种协同化的神经活动。

研究人员在锥体束神经元和皮层丘脑神经元中检测到了同步化的信号传导，这两类神经元均会向丘脑发出神经投射；而端脑内神经元则未表现出此类同步化活动。上述结果表明，丘脑的信号输入会选择性地增强特定类型神经元的活性，助力其在类脑组装体中形成协同化网络，并实现功能成熟。

研究脑部疾病的全新实验平台

该研究团队成功利用类脑组装体重构出人类神经环路，研发出一套强大的新型研究系统，可用于探究大脑神经环路的形成、功能机制，以及不同细胞类型间的环路差异。

osakada文隆教授着重强调了这项研究的广泛意义，他表示：“我们通过复刻人类大脑，在采用建构主义方法解析人类大脑的研究中取得了重大进展。我们相信，这些研究成果将助力加速探明神经疾病与精神疾病的发病机制，同时推动新型治疗手段的研发。”