人类神经类器官微生理系统具备基本学习与记忆的结构基础研究

学习和记忆的神经基础依赖突触可塑性(如长时程增强 LTP、短时程增强 STP)、即早基因(IEGs)表达及神经元网络的临界状态调控，这些机制的异常与神经退行性疾病和精神障碍密切相关。传统模型(如动物模型或 2D 细胞培养)难以复现人类大脑的细胞多样性和网络复杂性，限制了对人类特异性认知机制的研究。人类神经类器官源于诱导多能干细胞(hiPSCs)，能模拟人脑发育的细胞组成(神经元、星形胶质细胞等)和网络连接，为研究学习记忆的分子和功能基础提供了理想平台。本研究通过表征神经类器官的突触可塑性、即早基因表达、网络动态及临界状态，验证其作为学习记忆模型的潜力，为类器官智能(OI)研究奠定基础。

来自美国约翰・霍普金斯大学、澳大利亚 Cortical Labs 的 团队在《Communications Biology》(2025 年，Vol. 8)发表了题为Human neural organoid microphysiological systems show the building blocks necessary for basic learning and memory的研究。

核心内容如下：

研究方法：

神经类器官构建：从 hiPSCs 诱导形成含谷氨酸能、GABA 能、胆碱能等多种神经元及胶质细胞的 3D 类器官，培养至 14 周，通过旋转培养促进成熟;

功能表征：采用钙成像监测网络活动，高密度多电极阵列(HD-MEA)记录电生理信号，结合 RNA 测序、qPCR 和免疫荧光分析突触标记(如 SYN1、HOMER1)及受体(AMPA、NMDA、GABA_A)表达;

突触可塑性诱导：通过药理学干预(如 GABA 受体拮抗剂 bicuculline、钾通道抑制剂 4-AP)和 theta 脉冲刺激(TBS)诱导突触可塑性，评估即早基因(ARC、FOS 等)表达及网络连接变化;

临界状态分析：通过雪崩动力学(avalanche analysis)量化网络的临界性(分支比、形状折叠误差等)。

关键结果：

结构与分子基础：类器官表达成熟突触标记(SYN1、HOMER1)和功能性受体(AMPA 的 GRIA1、NMDA 的 GRIN1/2A)，随发育上调即早基因(ARC、BDNF)及调控因子(CAMK2A、CREB)，证实存在学习记忆相关的分子机制。

网络动态成熟：4 周出现自发性钙振荡，8 周后转为低频、高振幅的同步爆发，HD-MEA 显示 6-9 周类器官爆发频率更高，10-13 周连接更紧密且模块化程度下降，接近成熟神经网络特征。

突触可塑性验证：药物干预中，4-AP 显著上调 NPAS4、FOS 等即早基因，bicuculline 增强网络爆发活动;TBS 诱导输入特异性短期 potentiation(STP)，表现为刺激后节点连接增加、模块化降低，部分神经元出现长达 180 分钟的长时程增强(LTP)或抑制(LTD)。

临界状态特征：10-13 周类器官的偏离临界系数(DCC)更低、分支比接近 1，表明更接近临界状态，TBS 可进一步增强临界性，支持高效信息处理。

实验结果

图 1：实验设计与突触可塑性调控示意图

该图展示研究的核心方法框架。(A)时间线：从 hiPSCs 诱导神经祖细胞(NPCs)，经 14 周培养形成类器官，分阶段检测基因表达、钙信号和电活动，8-13 周进行药物干预，14 周实施 TBS;(B)HD-MEA 数据分析流程：通过功能连接矩阵和雪崩分析量化网络动态;(C)突触可塑性调控机制：药物或电刺激通过调控谷氨酸能 / GABA 能传递，诱导即早基因表达和受体 trafficking，最终实现 LTP。

图 2：突触标记与即早基因的时空表达

该图验证类器官的分子成熟度。(A-B)免疫荧光显示 8-12 周类器官中，突触前标记 SYN1 与突触后标记 HOMER1 共定位，抑制性突触标记 Gephyrin 随发育增加;(C)qPCR 证实 NMDA 受体亚基(GRIN1/2A)和 AMPA 受体(GRIA1)随发育上调，GABA_A 受体(GABRA1)在 12 周显著升高;(D-G)即早基因(ARC、BDNF)及 microRNA(miR-124-3p)随成熟动态表达，提示其参与突触可塑性调控。

图 3：钙振荡动态反映网络成熟

该图展示类器官自发活动的发育轨迹。(A)钙成像显示 2 周无活动，4 周出现高频振荡，8 周转为低频、高振幅爆发;(B)量化分析表明，8 周时爆发持续时间延长、峰值振幅升高，活动类器官比例达 100%，提示网络同步性增强，符合成熟神经元集群特征。

图 4：HD-MEA 记录的电活动差异

该图对比不同周龄类器官的网络动态。(A-B) raster 图显示 6-9 周类器官爆发频率更高，10-13 周活动更稳定;(C)量化显示 6-9 周的爆发频率、峰值放电率显著高于 10-13 周，但后者的网络连接更紧密，提示发育过程中从 “活跃” 向 “稳健” 转变。

图 5：网络连接性与临界状态的发育变化

该图揭示功能连接与临界性的关联。(A)连接矩阵显示 10-13 周类器官的节点连接更密集;(B-D)10-13 周模块化程度更低，但临界性参数更优(DCC 低、分支比接近 1);(E-G)TBS 后分支比升高，表明刺激推动网络向临界状态靠近，优化信息处理能力。

图 6：药物干预对即早基因和电活动的影响

该图验证药理学调控的有效性。(A-B)4-AP 显著上调 8-13 周类器官的 NPAS4 和 FOS，bicuculline 对即早基因影响较弱;(C-D)HD-MEA 显示，bicuculline 和 4-AP 增强爆发频率，而 NMDA/AMPA 受体拮抗剂(NBQX+AP5)抑制活动，证实谷氨酸能传递对网络动态的核心作用。

图 7：Theta 脉冲刺激(TBS)诱导的短期突触可塑性

该图展示输入特异性电刺激对类器官网络活动的调控。(A)TBS 方案设计：4 组刺激间隔 13 分钟，每组含 10 次脉冲序列，每次序列包含 4 个 Spike，通过 32 个电极靶向单个神经元;(B)活跃区域变化：4A-6 孔刺激后活跃区域显著增减，而 1A-3 孔(低基线活动)无明显响应，提示存在活动阈值依赖;(C)诱发活动热图：4A-6 孔在刺激后毫秒级内出现强诱发反应，橙色虚线框标记分析窗口;(D)量化指标：4A-6 孔的活跃电极比例、总 Spike 数及诱发活动均超过 NBQX/AP5 处理组的阈值(虚线)，证实依赖谷氨酸能受体;(E)数据分布：4A-6 孔的诱发活动分布偏向右侧，显示短期增强，而 1A-3 孔集中于 0 附近，无显著响应。该图验证了 TBS 可诱导输入特异性短期突触可塑性，且依赖基线网络活性。

图 8：TBS 对网络连接、临界状态及长时程可塑性的影响

该图揭示刺激后的长效网络变化。(A)连接性指标：刺激后各孔的节点数和连接边显著增加，模块化程度降低，表明网络整合性增强;(B)连接矩阵示例：1B 孔刺激后电极间连接密度明显升高;(C)临界性参数：刺激后分支比(BR)显著上升，形状折叠误差(SCe)降低，提示网络更接近临界状态，信息处理效率提升;(D)神经元单位可塑性：部分单位呈现长时程增强(LTP，放电率持续升高)或抑制(LTD，放电率下降)，4A-6 孔和 1B-4 孔的 LTP/LTD 单位比例高于无刺激对照组，证实 TBS 可诱导输入特异性长时程突触可塑性。该图表明 TBS 不仅改变短期网络动态，还能驱动神经元功能的持续性调控。

全文总结

本研究证实人类神经类器官具备学习记忆的核心分子和功能基础：通过 14 周培养，类器官形成含多种神经元和胶质细胞的网络，表达成熟突触标记及功能性谷氨酸 / GABA 受体，随发育上调即早基因和调控因子。自发电活动从高频振荡逐步成熟为同步爆发，网络连接性和临界状态随周龄优化。药物干预和 TBS 可有效诱导突触可塑性，表现为即早基因表达变化、网络连接增强及 LTP/LTD，且 TBS 能推动网络向临界状态转变，提升信息处理效率。这些发现表明神经类器官可模拟人类大脑的基本学习记忆机制，为神经发育疾病建模、药物筛选及类器官智能研究提供了可靠模型。局限性包括缺乏长期稳定性及更复杂的回路(如海马 - 皮质连接)，未来需结合类器官组装体和血管化技术进一步优化。