商业培养基中非生理性钾浓度诱发人体iPSC来源神经元的急性类癫痫样活动

为何大脑的“洗澡水”很重要

大脑细胞通常在培养皿中而非人体内被研究。我们常假定这些微小的实验室环境能忠实模拟真实大脑。研究表明，许多常用实验溶液的一个基本成分——钾——可能足够高，促使人类神经元出现类癫痫样行为。这个发现不仅对癫痫研究重要，也关系到任何使用人类干细胞衍生神经元来测试药物或理解大脑功能的研究。

大脑细胞在体内如何生存

在活体大脑中，神经元漂浮在一种称为脑脊液的清澈液体中，脑脊液流经并包围脑组织。这种液体精细调控关键盐类（离子）水平，例如钠、氯、镁、钙，尤其是钾。离子水平的微小变化会显著改变神经元的发放易性及其相互通信。该团队早期的工作显示，大脑主动将脑脊液中的钾维持在低于血液的水平，这表明这种严格控制并非偶然，而是一种防止失控电活动的保护策略。

实验皿里常犯的错误

在实验室中，神经元被保存在商业培养基或为模拟脑脊液而配制的简化盐溶液中。研究人员测量了取自健康志愿者的液体的实际离子水平，并将其与几种广泛使用的培养基（包括 BrainPhys、Neurobasal Plus 和 DMEM/F12）以及常用人工脑脊液配方进行了比较。这些混合液均未真正匹配人体脑脊液。所有商业培养基中钾始终偏高且镁偏低，有些还在钠、钙和氯上存在差异。文献调查显示，许多实验室也使用钾水平高于人体脑脊液的人工液体。

微小变化如何引发巨大风暴

为观察这些差异对人类神经元的影响，研究团队用人类诱导多能干细胞培养出三维神经网络，并在微电极阵列上记录其电活动。当他们将人工脑脊液中的钾从约2.9毫摩尔的生理水平轻微提升至仅4毫摩尔——与许多实验溶液相似时——这些网络迅速转变为高度同步的节律性爆发，类似癫痫发作。一种经典的诱发癫痫药物产生了非常相似的模式，这进一步表明这不仅仅是发放增多，而是一种病理性的过度激发状态。

真实脑脊液与流行培养基的对比

研究人员随后直接比较了三种条件：用精确离子匹配的人工液体浸泡的人类神经元、真实的人类脑脊液以及 BrainPhys 培养基。与离子匹配的人工液体相比，人类脑脊液增加了网络活动，但表现得更为平衡：更多神经元参与协调性爆发，但发放率和模式保持在适度范围内。相比之下，BrainPhys 驱动了更强、更频繁且更同步的爆发，几乎没有培养物保持安静或松散组织的状态。总体而言，高钾低镁的培养基持续将网络推向过度同步的类癫痫行为。

这对脑科学研究意味着什么

这些发现表明，许多体外脑模型，尤其是使用标准商业培养基的模型，可能处于一种长期过度兴奋的状态，并不反映健康人类大脑的真实状况。这并不否定数十年的实验室研究成果，但提醒我们警惕：关于“正常”神经元行为的结论可能实际上描述的是已接近癫痫边缘的神经元。研究建议未来的实验和培养基配方应更贴近真实人类脑脊液的离子平衡。把大脑的化学环境调准，能使体外培养的神经元更好地代表人类大脑，并提高我们区分健康与真正病态活动的能力。

引用: Lyckenvik, T., Izsak, J., Arthursson, E. et al. Non-physiological potassium concentrations in commercial culture media trigger acute seizure-like activity in human iPSC-derived neurons. Sci Rep 16, 9229 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43094-7

关键词: 脑脊液, 钾, 神经元网络, 类癫痫活动, 细胞培养基