你是否好奇过人类神经系统是如何发育的？大脑和脊髓如何从单一的受精卵中形成？神经系统的不同区域是如何获得其独特特性和功能的？这些年来，科学家们竭力解答这些令人着迷的问题。
可以说，人体神经系统是我们身体中最复杂但高度组织化的器官。它由数十亿相互通信的神经元和神经胶质细胞组成。神经系统控制着我们的思想、情感、记忆、运动、感觉以及许多其他重要功能。神经系统复杂性和组织性的基础是在胚胎发育的早期阶段奠定的。当时，被称为神经板的扁平细胞层会折叠成一个称为神经管的中空管。神经管是脑和脊髓的胚胎前体，它的发育受到一系列分子和细胞事件的调节，这些事件决定了神经管的形状、大小和样式。
神经管发育的关键机制之一是神经模式化——沿着两个主轴生成不同类型的神经元和神经胶质细胞的过程。头尾（R-C）轴从头部延伸到尾部，而背腹（D-V）轴从后面延伸到腹部。神经模式化受到不同因素影响，例如特定基因的表达、相邻细胞之间的相互作用，以及从附近组织扩散出来的信号分子梯度。
神经模式化对于建立神经系统的功能多样性和连接性至关重要。例如，大脑的不同区域（如前脑、中脑和后脑）由沿R-C轴的基因的不同组合来指定。同样，不同类型的神经元（如感觉神经元、运动神经元和中间神经元）也由沿D-V轴排列的基因组合生成。这些神经元形成特定的回路，介导不同的功能，如视力、听力、触觉、运动和认知。
了解人类神经模式化是如何发生的，对于推进我们对人类神经发育和神经退化的认识，以及开发治疗神经系统疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病、脊髓损伤和自闭症）的新疗法至关重要。然而，由于伦理和实践上的限制，研究人类神经管发育具有挑战性。
历史上，我们对神经管发育的大部分知识都来自于动物模型，例如老鼠、斑马鱼和小鸡。这些模型对于揭示神经模式化的基本原理和机制有着不可估量的价值，但它们也有明显的局限性。首先，动物模型并不能完全概括人类神经管发育的复杂性和多样性。人类的神经管发育受到许多独特因素的影响，例如发育的长期持续、大脑尺寸增加及折叠，还有特定大脑区域和功能的进化。其次，动物模型不允许对人类神经管发育进行直接操纵和观察，而这对于测试假设和验证研究结果是必要的。
为了克服这些局限性，科学家们一直在开发基于人类多能干细胞（hPSC）的神经发育模型。hPSC是从人体胚胎中提取或从成人细胞重新编程得到的细胞，它具有分化成体内任何细胞类型的潜力，包括神经元和神经胶质细胞。通过使用各种方法和方案，科学家们可以诱导hPSC形成3D结构，类似于发育中的人类神经系统的不同阶段和区域。例如，神经类器官——包含多个大脑区域的迷你大脑，还有生物工程神经管发育模型——模仿神经管形成和模式化的管状结构。
与动物模型相比，这些基于hPSC的模型提供了几个优势：使用人体细胞，可进行基因操作和编辑，可进行成像和分析，还有建模疾病和筛选药物的潜力。然而，现有的基于hPSC的模型也有一些缺点：缺乏血管化和神经支配，结构的可变性和异质性，以及控制和再现实验条件的难度。
最近（年2月26日），来自密歇根大学、宾夕法尼亚大学、魏茨曼科学研究所和剑桥大学的研究团队（JianpingFu为通讯作者）在《自然》杂志上发表了一项开创性研究，报告了一种基于hPSC的新型神经管发育模型，该模型克服了之前模型的一些局限性。这种被称为微流控神经管样结构（或μNTLS）的新模型，是一种3D管状结构，概括了大脑和脊髓区域以及沿R-C和D-V轴的神经模式化的一些关键特性。
μNTLS是使用微流控装置创建的，这是一种微小的芯片，包含可以精确控制流体和细胞流动和分布的微观通道和腔室。研究人员使用微流控装置产生了一种称为视黄酸(RA)的信号分子梯度，RA在神经管RC模式化过程中发挥着关键作用。通过将hPSC暴露于不同浓度的RA，研究人员能够沿着μNTLS生成神经管的不同区域，例如前脑、中脑、后脑和脊髓。
研究人员还使用微流控设备来产生另一种信号分子刺猬因子（SHH）的梯度，后者在神经管D-V模式化中发挥关键作用。通过将μNTLS暴露于不同浓度的SHH，研究人员能够沿μNTLS的宽度生成不同类型的神经元和神经胶质细胞，例如感觉神经元、运动神经元、中间神经元和星形胶质细胞。
研究人员通过使用各种技术验证了μNTLS中不同细胞类型的身份和功能，例如基因表达分析、免疫染色、电生理学和钙成像。他们还证实，μNTLS包含一些特殊细胞群，这些细胞群参与神经管发育，例如神经嵴(NC)前体细胞——从神经管中迁移并产生各种细胞类型（如周围神经元、神经胶质和黑色素细胞）；还有神经中胚层前体细胞(NMP)——可以分化为神经组织或中胚层组织（例如脊髓或躯干肌肉）。
研究人员进一步表明，μNTLS可用于研究人类神经管发育的一些重要方面，例如特定基因的作用、不同细胞类型之间的相互作用以及环境因素的影响。例如，他们使用μNTLS来研究一种名为CDX2的基因的功能，该基因已知可调节神经管的尾部特性和命运。他们发现CDX2对于μNTLS中脊髓和躯干NC的发育至关重要，它的缺失或过表达都会导致μNTLS的形态和模式化出现严重缺陷。
研究人员还开发了μNTLS的改进版本，称为微流体前脑样结构（μFBLS）。它专门模仿人类前脑（大脑中最大、最复杂的部分）的发育。μFBLS是通过使用不同的微流控装置生成的，该装置创造了称为成纤维细胞生长因子8(FGF8)的信号分子梯度，FGF8在前脑模式化中发挥关键作用。通过将μNTLS暴露于不同浓度的FGF8，研究人员能够生成前脑的不同区域，例如大脑皮层和基底神经节的前体大脑皮层和基底神经节。
研究人员通过多种技术证实了μFBLS中不同细胞类型的特性和组织，例如基因表达分析、免疫染色和单细胞RNA测序。他们还证明，μFBLS包含人类前脑发育的一些独特特征，例如皮质层的形成、抑制性中间神经元的产生以及人类特异性基因的表达。
μNTLS和μFBLS是研究人类神经管发育和疾病的新颖而强大的工具。与现有的基于hPSC的模型相比，它们具有以下优势：能够在3D管状几何结构中概括沿R-C和D-V轴的神经模式化，操纵和监测细胞分化和组织的时空动态，以及整合神经系统不同区域和细胞类型的潜力。然而，μNTLS和μFBLS也有局限性：缺乏原生神经管中存在的一些细胞类型和结构，长期培养结构的扩展和维持难度，以及方法和方案的进一步验证和优化需求。
研究人员希望他们的工作能够启发人类神经发育和神经变性领域的进一步研究和创新，并为再生医学、药物发现和个性化医疗的新应用铺平道路。他们还希望，这项工作将加深我们对人类神经系统及其疾病的理解，并最终改善人类的健康福祉。#图文万粉激励计划#转载请注明：http://www.mwoap.com/zlzbz/15136.html
