从人类诱导多能干细胞神经元活动推导出的不同功能网络

观察脑细胞学会“对话”

微小的人类脑细胞集合如何学会相互交流？它们的“喋喋不休”为何有时会随着时间减弱？在这项研究中，科学家们培养了由人类干细胞构建的神经网络，并在近两个月内监听了这些细胞的电活动。他们的目标是弄清楚简单且不成熟的细胞如何转变为协同放电的有序网络——这一过程是学习、记忆以及许多脑部疾病的基础。

从类皮肤细胞到微型脑回路

研究人员从诱导多能干细胞（iPSC）入手——即被重编程回类似胚胎状态的成人细胞。这些iPSC被诱导分化为兴奋性神经元，并与支持性的星形胶质细胞共同培养。数天内，混合培养物铺展成一层薄膜并形成由长而分支的突起连接的小团块，类似于大脑的接线结构。通过能标记特定蛋白的化学染色，团队证实这些细胞正在形成突触的输入端与输出端——即神经元传递信号的连接处。

追踪神经“对话”的兴衰

为了解这些体外生长的脑细胞随时间的行为，研究者使用了多电极阵列——一种在培养皿上嵌入微小传感器的装置，能够同时检测来自多处细胞的电性尖峰。他们在培养的第18天到第55天之间，于21个不同日子对24个培养皿分别记录了每次五分钟的活动片段。早期的尖峰稀疏且分散。随后的一周半内，总尖峰数、尖峰频率以及短时快速“爆发”出现的频率均稳步上升，于大约第24至28天达到顶峰。培养约一月后，这些指标开始下降，表明网络失去了一部分早期的协调驱动。

网络组织的三个不同阶段

研究组没有仅仅查看原始尖峰计数，而是关注网络不同部分放电的同步程度。他们使用一种称为相位锁定的数学度量来估算一个电极的活动与其他电极活动之间的关联强度。据此构建了“功能连接性”图谱——显示哪些区域倾向于协同行动的抽象图。按培养年龄对数据分组后，出现了三种清晰的模式。在最早期（第18–23天），大多数交流集中通过单一枢纽，网络节律弱且分布广泛。中期（第24–28天），连接更为丰富，并在多个枢纽间更加均匀分配，网络以更强、更规则的节律脉动。到末期（第32–55天），图谱再次简化，枢纽变少，节律变弱且结构性降低，显示连接部分瓦解或被修剪。

将结构、突触与活动联系起来

团队还探讨了在这些电活动模式演变期间，培养物内部发生了哪些物理变化。在第21天到第28天之间，标记突触存在的蛋白质显著增加。与此同时，代表长且生长性突起的标记物减少，暗示细胞从构建新延伸转向细化并强化特定连接。基于若干与突触相关蛋白的“成熟指数”在此期间增加了两倍多。这些结构性变化与电学数据一致：随着突触增多并稳定，网络活动变得更加同步和有序，随后逐渐减弱。

为何这些微型网络重要

对普通读者而言，核心信息是：小规模的体外人类脑细胞网络经历可识别的生命阶段——先是被激活，随后高度协调，最终失去部分秩序。这项研究表明，可以使用非侵入性电记录和精心选择的细胞结构标记详细追踪这些变化。由于干细胞可以从任意个体制备，这类体外网络为研究遗传差异或潜在治疗如何影响人类大脑连线和时序提供了强有力的手段，而无需直接从大脑中记录数据。

引用: Mehrkanoon, S., Rollo, B., Gu, J. et al. Distinct functional networks derived from human induced pluripotent stem cell neuronal activity. Sci Rep 16, 12659 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40552-0

关键词: 诱导多能干细胞, 神经网络, 多电极阵列, 突触成熟, 功能连接性