这是科学生涯中令人梦寐以求的意外时刻之一。AngelsRabadan博士当天离开了哥伦比亚大学拉朱·托默(RajuTomer)的实验室，但在此之前，他将一个小试管与剩余的几滴富含细胞的溶液一起存放在培养箱中。第二天早上她回来的时候，看到的东西让她睁大了眼睛。“管中形成了小球，你可以看到它们之间存在某种联系，”哥伦比亚大学生物科学系副研究神经科学家拉巴丹博士说。培养基中残留的脑细胞在一夜之间聚集成微小的神经球。
更重要的是，这些球体自发地相互连接成一个网络。当她向Tomer博士展示来自网络初步测试的数据时，他可以在网络部分之间看到的类似大脑的信号使他意识到这些网络可以成为神经科学的一个新的和有价值的研究框架。科学家们将这些实验室培养的类脑细胞组件称为模块化神经网络或MoNNets。
拉巴丹博士在2017年夏天的偶然观察之后是一段诱人的研究之旅，现在至少有来自哥伦比亚大学八个系和研究所的合作者参与其中。研究人员和其他人说，到目前为止，该团队的研究成果最近记录在《自然通讯》杂志上，有机会帮助精神病学医学领域摆脱长期低迷状态。
一组紧密的垂直显微镜图像跟踪MoNNet球体组件的3D组织以及连接它们的神经纤维。图片来源：哥伦比亚大学生物科学系TomerLab
“几十年来，精神疾病的治疗几乎没有什么进展，”哥伦比亚大学祖克曼研究所的首席研究员、该文章的作者之一约瑟夫·戈戈斯博士说。研究精神分裂症的Gogos补充说：“MoNNets在这里可能会有很大帮助，因为它们非常适合梳理神经和神经精神疾病的生物学基础，并有效地审查数百或数千种可能的药物治疗。”
MoNNets是对既定实验室主题的变体，研究人员在该主题中培养类器官：组织和器官的三维再现，有些像豌豆一样大，装在实验室玻璃器皿中。科学家们使用前体细胞干细胞来做到这一点，他们可以培育它们发育成每个器官的各种细胞类型。
类器官已被证明是研究心脏和肝脏等器官的有力工具。然而，就大脑而言，类器官并没有完全达到最初的炒作，Tomer博士说，因为它们迄今为止缺乏允许实际脑组织中不同区域进行交流的网络活动。
“MoNNets捕获了更多这种网络活动，这就是为什么我们认为它们将克服类器官的局限性并成为更好的脑组织3D模型，”哥伦比亚大学助理教授、祖克曼研究所附属成员Tomer博士说。“有了MoNNets，你就有了单独的球体模块，每个模块都做自己的事情并执行自己的计算，但每个模块还通过整个系统进行通信。这是一种非常类似于大脑的局部-全局动态。”
MoNNets不仅可以用于模拟健康的大脑，还可以用于模拟患病的大脑。在这项新工作中，研究人员从携带与精神分裂症相关基因变异的小鼠脑细胞中培养出MoNNets。由此产生的MoNNets在球体模块内的细胞之间表现出正常的本地通信，但在整个模块网络中的信号协调较差。
Tomer博士说，这种实验室菜肴与疾病之间的对应关系表明，由数百万个细胞组成的MoNNets可以模仿由数百亿个细胞组成的精神分裂症患者大脑的至少一些细胞和神经元电路特征。
这些相同的MoNNets体现了精神分裂症大脑回路的另一个生物学特征。与用缺乏精神分裂症基因的脑细胞生长的MoNNets相比，它们的网络结构和信号行为不太稳定。
“电路和连接一直在变化和波动，”Tomer博士说。“这可以帮助我们研究精神分裂症的短期记忆丧失，其中可能存在类似的稳定联系缺失。”
MoNNets可以列出另一个简历项目，以加强他们作为精神分裂症培养皿模型的候选资格：当研究人员用已知可以增强基因工程模拟精神分裂症小鼠认知健康的药物给MoNNets洗澡时，MoNNets的细胞和电路变得更加稳定并表现出看起来更正常的网络活动。
该团队已经采取措施定制MoNNets以研究其他神经系统疾病，包括癫痫和帕金森病。Tomer博士设想最终开发一系列定制的MoNNets，这些组合可以共同模拟与许多神经系统疾病相关的大脑结构和功能。
“我们可以从这些不同的疾病模型中获取数据，然后使用数据分析工具和机器学习来找出每种疾病在生物学上的独特之处，”Tomer博士说。“以系统的方式，我们可以模拟数百种与这些疾病相关的基因突变，并使用MoNNets梳理出不同基因如何具体影响大脑回路和健康。”托默博士和他的同事说，这样的数据可能会为更准确的诊断和更好的治疗选择开辟道路。
它也有可能改变科学家对精神疾病的看法。
“我们从对动物和人类大脑的观察中早就知道，神经元回路水平的缺陷在一系列精神疾病中普遍存在，尽管这些疾病的遗传基础如此多样，”Gogos博士说，他也是哥伦比亚瓦格洛斯内外科医学院生理学、神经科学和精神病学教授。Gogos博士说，与其将精神疾病描述为大脑中的化学失衡，只需要管理正确的药物，概念框架正在转向将精神疾病作为一种回路障碍。
“MoNNets令人兴奋的是，他们正在开辟新的多功能机会，在培养皿中体外模拟和研究这些电路缺陷，”他说。
JordanHamm博士是乔治亚州立大学的神经科学家，他不是自然通讯论文的作者之一，他是MoNNets的早期粉丝。他自己在精神分裂症方面的工作侧重于哺乳动物大脑如何通过局部神经回路和远程全球大脑网络之间的相互作用来处理感觉信息。
“MoNNets代表了生物医学和药物发现工具的重大进步，特别是针对神经回路和网络病理的治疗，”哈姆博士说。“这些病症包括一些最具破坏性且仍未得到充分治疗的疾病，其中包括精神分裂症、自闭症和抑郁症。”
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