“Measurement of physiological functions of human brain organoids”
In the next iPark Science Cafe, the following couple of recent research reports focusing on physiological functions of human brain organoids will be discussed.
次のiPark Science Cafeでは、ヒト脳オルガノイドの生理学的機能に焦点を当てた以下の最近の研究報告について議論します。
Cell Stem Cell, Volume 25, Issue 4, 3 October 2019, Pages 558-569.e7
"Complex Oscillatory Waves Emerging from Cortical Organoids Model Early Human Brain Network Development"
「ヒト脳ネットワーク発生初期の皮質オルガノイドモデルから発生する複雑な振動波」
Summary
Structural and transcriptional changes during early brain maturation follow fixed developmental programs defined by genetics. However, whether this is true for functional network activity remains unknown, primarily due to experimental inaccessibility of the initial stages of the living human brain. Here, we developed human cortical organoids that dynamically change cellular populations during maturation and exhibited consistent increases in electrical activity over the span of several months. The spontaneous network formation displayed periodic and regular oscillatory events that were dependent on glutamatergic and GABAergic signaling. The oscillatory activity transitioned to more spatiotemporally irregular patterns, and synchronous network events resembled features similar to those observed in preterm human electroencephalography. These results show that the development of structured network activity in a human neocortex model may follow stable genetic programming. Our approach provides opportunities for investigating and manipulating the role of network activity in the developing human cortex.
脳成熟過程初期における構造および転写の変化は、遺伝的に規定された一定の発達プログラムに基づく。しかしながら、機能的な神経ネットワーク活動にも当てはまるかどうかは、生体ヒト脳初期段階への実験的アクセスが不可であるために明らかでない。本研究では、成熟過程で劇的に細胞ポピュレーションが変化するヒト皮質オルガノイドを開発し、数ヶ月に渡って同質な電気活動増加を示しました。自発的ネットワーク形成は、グルタミン酸作動性およびGABA作動性シグナル伝達に依存する周期的および規則的な振動イベントを示しました。振動活動は、より時空間的に不規則なパターンに移行し、同期ネットワークイベントは、早産ヒト脳波で観察されたものと似た特徴を示した。これらの結果は、ヒト新皮質モデルにおける構造化されたネットワーク活動の発達が、安定的に遺伝的プログラミングに基づく可能性を示す。本アプローチは、発達中のヒト皮質におけるネットワーク活動の役割を精査し操作する機会となる。
Stem Cell Reports, Volume 13, Issue 3, 10 September 2019, Pages 458-473
"Self-Organized Synchronous Calcium Transients in a Cultured Human Neural Network Derived from Cerebral Organoids"
「大脳オルガノイド由来の培養ヒト神経回路網における自己組織化した同期カルシウム過渡現象」
Summary
The cerebrum is a major center for brain function, and its activity is derived from the assembly of activated cells in neural networks. It is currently difficult to study complex human cerebral neuronal network activity. Here, using cerebral organoids, we report self-organized and complex human neural network activities that include synchronized and non-synchronized patterns. Self-organized neuronal network formation was observed following a dissociation culture of human embryonic stem cell-derived cerebral organoids. The spontaneous individual and synchronized activity of the network was measured via calcium imaging, and subsequent analysis enabled the examination of detailed cell activity patterns, providing simultaneous raster plots, cluster analyses, and cell distribution data. Finally, we demonstrated the feasibility of our system to assess drug-inducible dynamic changes of the network activity. The comprehensive functioanalysis of human neuronal networks using this system may offer a powerful tool to access human brain function.
大脳は脳機能の中枢であり、その活動は神経ネットワーク内で活動する細胞の集合に由来しています。現在、複雑なヒト脳の神経ネットワーク活動を研究することは困難ですが、本研究のように大脳オルガノイドを用いて、同期および非同期パターンを含む自己組織化された複雑なヒト神経ネットワーク活動を解析することが可能です。自己組織化された神経ネットワーク形成は、ヒト胚性幹細胞由来大脳オルガノイドの分散培養後に観察されました。ネットワークの自発的かつ同期した活動は、カルシウムイメージング測定とその後の分析により詳細な細胞活動パターン検査が可能で、同時ラスタプロット、クラスター分析、および細胞分布データを得ることができる。最後に、ネットワーク活動の薬物誘導性変化を評価するシステムの実行可能性を検証し、このシステムを利用したヒト神経ネットワークの包括的機能解析が、ヒト脳機能にアクセスする強力なツールとなる可能性があると考えられた。
プレゼン資料
プレゼン動画
(2019.10.17 iPark Science Cafe 13th)
