一組工程師和神經科學家首次證明，植入小鼠體內的人腦類器官已經與動物的皮層建立了功能連接，并對外部感官刺激做出反應。植入的類器官以與周圍組織相同的方式對視覺刺激做出反應，由于結合了透明石墨烯微電極陣列和雙光子成像的創新實驗裝置，研究人員能夠在幾個月內實時進行觀察。

該團隊由加州大學圣地亞哥分校電氣與計算機工程系教員 Duygu Kuzum 領導，他們在 12 月 26 日出版的《自然通訊》雜志上詳細介紹了他們的發現。Kuzum 的團隊與波士頓大學 Anna Devor 實驗室的研究人員合作;Alysson R. Muotri 在加州大學圣地亞哥分校的實驗室;和 Fred H. Gage 在索爾克研究所的實驗室。

人類皮質類器官來源于人類誘導的多能干細胞，這些干細胞通常來源于皮膚細胞。這些大腦類器官最近成為研究人類大腦發育以及一系列神經系統疾病的有前途的模型。

但直到現在，還沒有研究團隊能夠證明植入小鼠皮層的人腦類器官能夠共享相同的功能特性并以相同的方式對刺激做出反應。這是因為用于記錄大腦功能的技術是有限的，并且通常無法記錄僅持續幾毫秒的活動。

加州大學圣地亞哥分校領導的團隊能夠通過開發結合由透明石墨烯制成的微電極陣列和雙光子成像的實驗來解決這個問題，雙光子成像是一種可以對厚度達一毫米的活組織成像的顯微鏡技術。

“沒有其他研究能夠同時進行光學和電學記錄，”該論文的第一作者、博士麥迪遜威爾遜說。加州大學圣地亞哥分校 Kuzum 研究小組的學生。“我們的實驗表明，視覺刺激會引起類器官的電生理反應，與周圍皮層的反應相匹配。”

研究人員希望，這種用于研究類器官的創新神經記錄技術組合將作為一個獨特的平臺，全面評估類器官作為大腦發育和疾病的模型，并研究它們作為神經假體以恢復丟失、退化或受損大腦區域功能的用途.

“這種實驗裝置為研究發育性腦病背后的人類神經網絡水平功能障礙開辟了前所未有的機會，”Kuzum 說。

Kuzum 的實驗室于 2014 年首次開發出透明石墨烯電極，此后一直在推進這項技術。研究人員使用鉑納米粒子將石墨烯電極的阻抗降低 100 倍，同時保持其透明。低阻抗石墨烯電極能夠在宏觀和單細胞水平上記錄和成像神經元活動。

通過將這些電極陣列放置在移植類器官的頂部，研究人員能夠實時記錄來自植入類器官和周圍宿主皮層的神經活動。使用雙光子成像，他們還觀察到小鼠血管長入類器官，為植入物提供必要的營養和氧氣。

研究人員將視覺刺激——光學白光 LED——應用于植入了類器官的小鼠，同時小鼠處于雙光子顯微鏡下。他們觀察到類器官上方電極通道的電活動，表明類器官對刺激的反應與周圍組織相同。電活動通過功能連接從植入類器官區域中最靠近視覺皮層的區域傳播。