腦損傷造成嚴(yán)重的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。手術(shù)、藥物和康復(fù)治療在恢復(fù)受損功能方面往往有限。經(jīng)典的腦機(jī)接口（BCIs）允許大腦和外部計(jì)算機(jī)之間直接通信，允許用戶拼寫(xiě)單詞、移動(dòng)光標(biāo)和控制輪椅或機(jī)械臂。用于信號(hào)記錄和刺激的神經(jīng)接口（電極）在腦機(jī)接口中至關(guān)重要。腦損傷會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞大量丟失，特別是當(dāng)形成大空洞時(shí)，這限制了植入式電極在沒(méi)有健康細(xì)胞替代的情況下正常工作。因此，有必要構(gòu)建由替代細(xì)胞介導(dǎo)的創(chuàng)新BCIs來(lái)修復(fù)腦損傷。研究人員構(gòu)建了結(jié)合移植類器官優(yōu)點(diǎn)和神經(jīng)調(diào)控的創(chuàng)新型OBCIs來(lái)修復(fù)腦損傷。

首先，研究人員評(píng)估了OBCIs系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全性和可行性，并探索了調(diào)節(jié)類器官移植物的方案。經(jīng)過(guò)早期調(diào)控后，移植物的進(jìn)行性分化和成熟增強(qiáng)。此外，經(jīng)過(guò)后期調(diào)控，移植物與宿主大腦之間形成了結(jié)構(gòu)-功能連接，表現(xiàn)為突觸連接增加，最終促進(jìn)宿主受損功能的修復(fù)。未來(lái)，OBCIs可與閉環(huán)系統(tǒng)集成，創(chuàng)建雙向BCIs框架，具有重建宿主大腦內(nèi)特定神經(jīng)功能環(huán)路的潛力。

為了探索調(diào)節(jié)OBCIS的合適參數(shù)，研究人員在體外構(gòu)建了類器官-電極復(fù)合物來(lái)模擬OBCIs。結(jié)果表明，類器官在50 Hz和50 μA的恒電流、陰極先導(dǎo)、雙相方形波形下表現(xiàn)出更高的放電頻率。與未受刺激的類器官相比，電刺激（ES）后觀察到較短的峰間間隔（ISI）。為了驗(yàn)證ES對(duì)類器官分化的影響，研究人員檢查了類器官內(nèi)皮質(zhì)板的層流結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，ES組中TBR1的表達(dá)降低，CTIP2的比例增加，而SATB2的表達(dá)在兩組之間沒(méi)有顯著差異；此外，ES組突觸更豐富，VGLUT1表達(dá)更高，星形膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量減少。電生理特性分析顯示，ES組放電速率更高，網(wǎng)絡(luò)的同步性增加，以及整體低頻能量更高（圖1），這表明電刺激促進(jìn)了類器官的功能成熟。

研究人員在宿主的初級(jí)感覺(jué)皮層（S1）內(nèi)建立損傷空洞，模擬皮質(zhì)損傷。隨后，由移植的類器官介導(dǎo)的腦機(jī)接口被開(kāi)發(fā)出來(lái)，以促進(jìn)腦修復(fù)。將體外培養(yǎng)40 d的GFP+類器官移植到宿主S1，定義為移植后0 d（0 dpt）。在25 dpt下進(jìn)行二次開(kāi)顱手術(shù)，將雙柄柔性電極植入類器官或宿主腦內(nèi)進(jìn)行信號(hào)記錄和刺激。在紫外線（UV）光的輔助下，一個(gè)柄被植入位于S1的類器官，另一個(gè)柄被植入鄰近的宿主初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)（M1），這被稱為OBCIs系統(tǒng)。免疫染色結(jié)果顯示，大多數(shù)小膠質(zhì)細(xì)胞保持未激活狀態(tài)。在移植物中，體內(nèi)發(fā)生了進(jìn)行性分化（DCX）和成熟（MAP2），并伴有血管浸潤(rùn)。此外，SYN+和PSD95+共定位的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)提示了移植物內(nèi)的突觸連接。總體而言，插入的電極沒(méi)有對(duì)類器官或宿主大腦造成損傷。值得注意的是，在長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)方面，研究人員發(fā)現(xiàn)信號(hào)活動(dòng)隨著時(shí)間的推移而增加，其特征為主動(dòng)高頻尖峰和低頻能量，這反映了類腦器官的成熟和電極的持續(xù)有效性。對(duì)于宿主安全性，約85%的移植動(dòng)物存活超過(guò)180日，這表明BO、BO-ET和BO-ET-ES組之間無(wú)顯著差異。體內(nèi)評(píng)估了柔性電極的信噪比（SNR），發(fā)現(xiàn)在180 dpt時(shí)信噪比降低，但仍保持在10 dB以上（圖2）。

根據(jù)移植類器官的發(fā)育狀態(tài)，選擇存活（30 dpt）和整合（60 dpt）兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)對(duì)移植物進(jìn)行調(diào)控。對(duì)于早期刺激，研究人員在體外的類器官-電極復(fù)合物中確定了刺激參數(shù)。此研究人員在體內(nèi)對(duì)移植物進(jìn)行了持續(xù)10天的調(diào)節(jié)，在刺激下未發(fā)現(xiàn)激活的免疫反應(yīng)。對(duì)類器官生存潛力，發(fā)現(xiàn)60 dpt刺激后移植物體積增加，達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性。增殖檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在60 dpt時(shí)，BO-ET-ES組Ki67+細(xì)胞的比例高于BO和BO-ET組。研究人員還發(fā)現(xiàn)BO-ET-ES組有更多的血管浸潤(rùn)到移植的類器官中，呈管狀形態(tài)，神經(jīng)祖細(xì)胞（PAX6+）減少，成熟神經(jīng)元（NeuN+）增加。此外，BO-ET-ES組中植入的類器官中的皮質(zhì)神經(jīng)元亞類（SATB2和CTIP2）增加。BO-ET-ES組中突觸前標(biāo)志物人突觸素（hSYN）和PSD95有多個(gè)共定位點(diǎn)，表明BO-ET-ES組的突觸連接更多（圖3）。

研究人員接下來(lái)使用OBCIs評(píng)估了移植物的功能成熟。在10天的刺激期間，BO-ET-ES組的放電率與BO-ET組相比顯著提高；在局部場(chǎng)電位（local field potential，LFP）分析中，研究人員觀察到BO-ET-ES組較BO-ET組低頻帶能量保持穩(wěn)定，信息熵保持穩(wěn)定，而中高頻帶能量顯著增加。研究人員監(jiān)測(cè)了從40至180 dpt的移植物的長(zhǎng)期電生理活動(dòng)，以探索其是否與功能成熟度相關(guān)。BO-ET-ES組的放電率、爆發(fā)數(shù)量和爆發(fā)持續(xù)時(shí)間持續(xù)增加，與BO-ET組顯示出顯著差異，而spike振幅穩(wěn)定。在LFP分析中，BO-ET-ES組的γ波段能量高于BO-ET組，而在其他波段能量不明顯。研究人員計(jì)算了類器官移植物的低頻和高頻信號(hào)的PAC，發(fā)現(xiàn)BO-ET-ES組表現(xiàn)出顯著更強(qiáng)的PAC，表明移植的類器官功能成熟度增強(qiáng)。LFP活性分析顯示，BO-ET-ES組的Gamma和高Gamma頻段的能量隨著時(shí)間的推移持續(xù)增加，顯著超過(guò)BO-ET組。此外，在180 dpt下，BO-ET-ES組的Gamma波段和高Gamma波段的能量與Na?ve組相當(dāng)，表明BO-ET-ES組的宿主功能恢復(fù)（圖4）。

研究人員選擇70 Hz的刺激來(lái)調(diào)節(jié)后期階段的移植物，在120 dpt時(shí)觀察到BO、BO-ET和BO-ET-ES組中移植物穩(wěn)定存活的代表性圖像。研究人員研究了60、120和150 dpt時(shí)移植物投射到宿主腦中的程度及其解剖靶點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)類器官的邊界模糊不清，還觀察到束狀投影，大多數(shù)突起位于移植物附近，而一些位于對(duì)側(cè)皮質(zhì)。對(duì)比分析表明，后期刺激增加了類器官到同側(cè)宿主腦的投射數(shù)量，這可以通過(guò)投射計(jì)數(shù)增加和距離增加得到證明。VGLUT1+和谷氨酸脫羧酶65和67（GAD65/67）點(diǎn)的存在表明谷氨酸能和GABA能突觸的存在。此外，刺激促進(jìn)了類器官和宿主之間興奮性和抑制性突觸連接的建立。研究人員還發(fā)現(xiàn)BO-ET-ES組神經(jīng)元突觸棘密度增加，還在60、120、150 dpt檢查了投射到宿主中的類器官的突觸連接，表明后期刺激顯著促進(jìn)了類器官和宿主之間功能性突觸的形成（圖5）。

研究人員還研究了是否存在電生理功能，特別是類器官和宿主大腦之間的信號(hào)連接。在10日的刺激期間，類器官表現(xiàn)出一致的脈沖活動(dòng)增加，表明移植物內(nèi)電傳遞的突觸成熟，刺激促進(jìn)了移植物的功能發(fā)育。值得注意的是，在spike幅值上沒(méi)有觀察到這種趨勢(shì)，這表明單個(gè)神經(jīng)元的細(xì)胞動(dòng)作電位保持穩(wěn)定。LFP測(cè)量顯示，移植物同時(shí)存在多個(gè)頻率的振蕩，范圍從Delta到高Gamma，這是體內(nèi)成熟神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征。與BO-ET組相比，在BO-ET-ES組中觀察到更明顯和持續(xù)的中高頻增加（Beta到高Gamma），這表明刺激在這些頻帶內(nèi)激活了振蕩。研究人員進(jìn)一步評(píng)估了LFP的連接性和耦合性，發(fā)現(xiàn)兩種類型的相關(guān)性在刺激后3個(gè)月顯著增加，在BO-ET-ES組中觀察到更明顯的效果。在移植物中，研究人員注意到，電刺激對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)發(fā)展具有長(zhǎng)期影響。研究人員還發(fā)現(xiàn)電刺激在后期促進(jìn)了行為功能的恢復(fù)（圖6）。

類器官和電極植入的問(wèn)題包括宿主和移植物的生存期延長(zhǎng)，以及移植物的潛在致瘤性，這些必須長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。研究結(jié)果表明，不同組的小鼠存活率沒(méi)有顯著差異，移植物在調(diào)節(jié)后表現(xiàn)出穩(wěn)健的生長(zhǎng)。此外，該研究表明，OCT4/SSEA4陰性的移植物沒(méi)有形成腫瘤，并且呈進(jìn)行性成熟，表明它們的安全性。未來(lái)，植入過(guò)程帶來(lái)的不確定性和宿主神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的未知分布需要基于每個(gè)電極記錄的數(shù)據(jù)來(lái)闡明生物學(xué)解釋。此外，該研究在體內(nèi)整合了類器官與生物電子學(xué)，創(chuàng)建了一個(gè)便于與大腦進(jìn)行更直觀溝通的系統(tǒng)，這在腦損傷、假肢和雙向腦機(jī)接口方面具有應(yīng)用前景。