研究人员通过在培养皿中模拟精神分裂症来研究它
这是科学生涯中令人垂涎的意外时刻之一。
Angeles Rabadan博士离开了Raju Tomer在哥伦比亚大学的实验室，但在此之前，他在培养箱中储存了一个小试管，里面只剩下几滴富含细胞的溶液。当她第二天早上回来的时候，她看到了一些让她睁大了眼睛的东西。哥伦比亚大学生物科学系副研究神经科学家拉巴丹博士说，“管子里已经形成了小球，你可以看到它们之间有什么联系。”残留在培养液中的脑细胞一夜之间聚集成微小的神经球。
更重要的是，这些球状体自发地相互连接成一个网络。当她向托默博士展示网络初步测试的数据时，他在网络各部分之间看到的类似大脑的信号让他意识到，这些网络可以成为神经科学一个新的、有价值的研究框架。科学家们将这些实验室培养的类脑细胞组合称为模块化神经网络(MoNNets)。
2017年夏天，拉巴丹博士的意外观察带来了一段诱人的研究之旅，现在至少有来自哥伦比亚大学8个院系和研究所的合作者参与其中。该团队迄今为止的研究成果，最近发表在杂志上自然通讯研究人员和其他人说，美国有机会帮助精神病学医学领域摆脱长期低迷的局面。
“几十年来，精神疾病的治疗进展甚微，”Joseph Gogos医学博士说，他是哥伦比亚大学祖克曼研究所的主要研究员，也是这篇文章的作者之一。研究人员Gogos补充说:“MoNNets在这方面可能会有很大帮助，因为它们非常适合梳理神经和神经精神疾病的生物学基础，也非常适合有效地审查成百上千种可能的药理治疗方法。精神分裂症．
MoNNets是一个既定实验室主题的变种，研究人员在这个主题中培育类器官:组织和器官的三维再现，有些像豌豆一样大，放置在实验室的玻璃器皿中。科学家们使用前体细胞，干细胞来完成这项工作，他们可以培养干细胞，使其发育成每个器官的各种类型的细胞。
类器官已被证明是研究心脏和肝脏等器官的有力工具。不过，托默说，就大脑而言，类器官并没有完全达到最初的宣传效果，因为到目前为止，它们缺乏网络活动，无法让实际脑组织中的不同区域进行交流。
“monnet捕获了更多的这种网络活动，这就是为什么我们认为他们将克服的限制瀑样成为更好的脑组织3D模型，”哥伦比亚大学助理教授、祖克曼研究所附属成员托默博士说。“在MoNNets中，你有独立的球体模块，每个模块做自己的事情，执行自己的计算，但每个模块也通过整个系统进行通信。这是一种非常像大脑的局部-全球动态。”
monnet不仅对模拟健康的大脑有用，对模拟患病的大脑也有用。在这项新研究中，研究人员从携带与精神分裂症相关基因变异的小鼠脑细胞中培养MoNNets。所得MoNNets显示球形模块内细胞间正常的局部通讯，但整个模块网络的信号协调能力较差。
托默说，这种从实验室培养皿到疾病的对应关系表明，由数百万个细胞组成的MoNNets至少可以模仿精神分裂症患者大脑的一些细胞和神经回路特征，这些患者的大脑由数百亿个细胞组成。
这些MoNNets体现了精神分裂症患者大脑回路的另一种生物学特征。与用缺乏精神分裂症基因的脑细胞培养的monnet相比，它们的网络结构和信号传递行为不那么稳定。
“回路和连接在不断变化和波动，”托默博士说。“这可以帮助我们研究精神分裂症患者的短期记忆丧失，在这种情况下，稳定连接的缺失也可能起到类似的作用。”
MoNNets可以在简历上列出另一个项目，以加强他们作为精神分裂症培养皿模型的候选地位:当研究人员在MoNNets身上涂上已知能增强小鼠认知健康的药物时，MoNNets的细胞和回路变得更加稳定，并表现出更多正常的网络活动。
该团队已经采取措施，将MoNNets用于研究其他神经系统疾病，包括癫痫和帕金森氏症。托默博士设想，最终开发出一套量身定制的monnet组合，共同模拟与许多神经疾病相关的大脑结构和功能。
“我们可以从这些不同的疾病模型中获取数据，然后使用数据分析工具和机器学习来找出每种疾病在生物学上的独特之处，”托默博士说。“以一种系统的方式，我们可以模拟数百种与这些疾病相关的基因突变，并使用MoNNets梳理出不同基因的具体影响大脑回路和健康。”托默博士和他的同事们说，这样的数据可能会为更准确的诊断和更好的治疗选择开辟道路。
它也有可能改变科学家对精神疾病的看法。
“我们早就从对动物和人类大脑的观察中知道，神经回路水平的缺陷在一系列精神疾病中普遍存在，尽管这些疾病的遗传基础是如此不同，”Gogos博士说，他也是哥伦比亚大学瓦格洛斯内科和外科医生学院(Columbia's Vagelos College of Physicians and Surgeons)的生理学、神经科学和精神病学教授。与其把精神疾病定性为大脑中的化学失衡，只需要适当的药物来控制，概念框架正在转向精神疾病是一种神经回路紊乱，戈戈斯博士说。
他说:“MoNNets的令人兴奋之处在于，它们为体外培养皿中模拟和研究这些电路缺陷提供了新的、多功能的机会。”
乔丹·哈姆博士是乔治亚州立大学的神经科学家，他并不是该研究的作者之一自然的交流paper是MoNNets的早期粉丝。他自己在精神分裂症方面的研究集中在哺乳动物的大脑如何通过局部神经回路和远程神经回路之间的相互作用来处理感觉信息大脑网络。
“MoNNets代表了生物医学和药物发现工具的重大进步，特别是针对神经回路和网络病理的治疗，”Hamm博士说。“这些病理包括一些最具破坏性、仍未得到充分治疗的疾病，其中包括精神分裂症、自闭症和抑郁症。”
