革新的な記録技術により、オルガノイドが外部からの感覚刺激に反応することを示す。 Using innovative recording technology, researchers show organoids respond to external sensory stimuli
2022-12-28 カリフォルニア大学サンディエゴ校(UCSD)
カリフォルニア大学サンディエゴ校電気・コンピューター工学部のDuygu Kuzum教授が率いる研究チームは、この研究成果を『Nature Communications』誌12月26日号に詳しく掲載しています。Kuzum教授の研究チームは、ボストン大学のAnna Devor研究室、カリフォルニア大学サンディエゴ校のAlysson R. Muotri研究室、ソーク研究所のFred H. Gage研究室の研究者と共同で研究を行っています。
ヒト皮質オルガノイドは、ヒト人工多能性幹細胞(通常、皮膚細胞から誘導される)から作製される。この脳オルガノイドは、近年、ヒトの脳の発達やさまざまな神経疾患を研究するための有望なモデルとして注目されている。しかし、これまで、マウスの大脳皮質に移植したヒトの脳オルガノイドが、同じ機能特性を持ち、同じように刺激に反応することを実証した研究チームはなかった。これは、脳機能を記録するための技術に限界があり、一般にわずか数ミリ秒の活動を記録することができないためである。
カリフォルニア大学サンディエゴ校が率いるチームは、透明なグラフェンでできた微小電極アレイと、厚さ1ミリまでの生体組織を画像化できる顕微鏡技術である二光子イメージングを組み合わせた実験を開発することで、この問題を解決することができた。
研究者達は、オルガノイドを研究するためのこの革新的な神経記録技術の組み合わせが、脳の発達や病気のモデルとしてのオルガノイドを総合的に評価し、失われたり変性したり損傷した脳領域の機能を回復させるための神経補綴物としての利用を研究するための独自のプラットフォームとなることを期待しています。
Kuzum氏の研究室は、2014年に透明グラフェン電極を初めて開発し、それ以来、この技術を発展させてきた。研究チームは、白金ナノ粒子を用いて、透明性を保ちながらグラフェン電極のインピーダンスを100分の1に低下させた。この低インピーダンスグラフェン電極は、マクロスケールと単一細胞レベルの両方で神経細胞の活動を記録し、画像化することができる。この電極のアレイを移植したオルガノイドの上に置くと、移植したオルガノイドと周囲の宿主皮質の両方から、神経活動をリアルタイムで電気的に記録することが可能になった。また、2光子イメージングを用いて、マウスの血管がオルガノイドの中に伸び、必要な栄養と酸素を供給している様子も観察された。
研究者らは、オルガノイドを移植したマウスに視覚刺激(光白色LED)を加え、二光子顕微鏡で観察した。その結果、オルガノイドの上部にある電極チャネルで電気活動が観測され、オルガノイドが周囲の組織と同じように刺激に反応していることが確認された。この電気活動は、移植されたオルガノイド領域の中で最も視覚野に近い領域から、機能的な結合を介して伝播していた。さらに、同社の低ノイズ透明グラフェン電極技術により、オルガノイドとその周囲のマウス大脳皮質からのスパイク活動の電気的記録が可能になった。グラフェン記録では、ガンマ振動のパワーが増加し、オルガノイドからのスパイクがマウス視覚野からの遅い振動に位相ロックしていることが確認された。 これらの結果から、オルガノイドは移植後3週間で周囲の大脳皮質組織とシナプス結合を確立し、マウスの脳から機能的な入力を受けていることが示唆された。研究者らは、この慢性的なマルチモーダル実験を11週間続け、移植したヒト脳オルガノイドと宿主マウスの大脳皮質が、機能的にも形態的にも統合されていることを明らかにした。
次のステップとして、神経疾患モデルを用いたより長期の実験や、オルガノイド神経細胞のスパイク活動を可視化するためのカルシウムイメージングを実験装置に取り入れることも検討している。また、他の方法を用いて、オルガノイドとマウスの大脳皮質間の軸索投射を追跡することも考えられる。
<関連情報>
- https://today.ucsd.edu/story/human-brain-organoids-implanted-into-mouse-cortex-respond-to-visual-stimuli-for-first-time
- https://www.nature.com/articles/s41467-022-35536-3
マウスに移植したヒト皮質オルガノイドのマルチモーダルモニタリングにより、視覚野との機能的なつながりが明らかになった Multimodal monitoring of human cortical organoids implanted in mice reveal functional connection with visual cortex
Madison N. Wilson,Martin Thunemann,Xin Liu,Yichen Lu,Francesca Puppo,Jason W. Adams,Jeong-Hoon Kim,Mehrdad Ramezani,Donald P. Pizzo,Srdjan Djurovic,Ole A. Andreassen,Abed AlFatah Mansour,Fred H. Gage,Alysson R. Muotri,Anna Devor & Duygu Kuzum
Nature Communications Published:26 December 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-022-35536-3
Abstract
Human cortical organoids, three-dimensional neuronal cultures, are emerging as powerful tools to study brain development and dysfunction. However, whether organoids can functionally connect to a sensory network in vivo has yet to be demonstrated. Here, we combine transparent microelectrode arrays and two-photon imaging for longitudinal, multimodal monitoring of human cortical organoids transplanted into the retrosplenial cortex of adult mice. Two-photon imaging shows vascularization of the transplanted organoid. Visual stimuli evoke electrophysiological responses in the organoid, matching the responses from the surrounding cortex. Increases in multi-unit activity (MUA) and gamma power and phase locking of stimulus-evoked MUA with slow oscillations indicate functional integration between the organoid and the host brain. Immunostaining confirms the presence of human-mouse synapses. Implantation of transparent microelectrodes with organoids serves as a versatile in vivo platform for comprehensive evaluation of the development, maturation, and functional integration of human neuronal networks within the mouse brain.
