文獻解讀：基于3D碳納米管系統(tǒng)的人類功能性聽覺神經(jīng)回路整合

此項突破由復(fù)旦大學夏明宇、李文妍團隊與東南大學柴人杰團隊共同完成，研究成果《基于3D碳納米管系統(tǒng)的人類功能性聽覺神經(jīng)回路整合》發(fā)表于《Advanced Science》。

重要發(fā)現(xiàn)
光遺傳學激活與鈣成像聯(lián)動驗證 
研究團隊通過雙病毒標記系統(tǒng)實現(xiàn)精準光學操控：

光激活：SGN類器官轉(zhuǎn)染ChrimsonR-Scarlet光敏蛋白（激發(fā)波長590nm）
信號追蹤：ACN類器官裝載GCaMP6s鈣指示劑（檢測波長488nm）
動態(tài)捕捉：共聚焦顯微鏡以1.5幀/秒速率記錄光刺激后鈣信號傳播
關(guān)鍵數(shù)據(jù)：光刺激觸發(fā)后，ACN內(nèi)ΔF/F₀信號強度提升3.2倍，證實信號跨器官傳遞

活細胞動態(tài)光片成像
采用光片顯微鏡實現(xiàn)長時程無損觀測：
培養(yǎng)系統(tǒng)：SA-CNTs-Matrigel3D培養(yǎng)體系維持器官活性
連續(xù)記錄：每12小時自動掃描，捕捉類器官間神經(jīng)突觸延伸過程
功能驗證：鈣火花（calciumspark）頻率在共培養(yǎng)組提升5倍

定向引導(dǎo)：SEM與原子力顯微鏡顯示，納米管間距均勻、高度對齊，形成寬度約100納米的溝槽拓撲結(jié)構(gòu)，迫使神經(jīng)元沿固定方向生長；

導(dǎo)電賦能：平行方向電導(dǎo)率顯著高于垂直方向，增強神經(jīng)元電信號傳遞效率；

生物相容性：經(jīng)聚賴氨酸（PDL）改性后，支架親水性提升，小鼠神經(jīng)元存活率高達95%（TCPS僅83%），人源神經(jīng)元存活率同步提升。

光遺傳學激活通路：SGN類器官表達光敏蛋白ChrimsonR，ACN類器官裝載鈣指示劑GCaMP6s；
590nm光刺激SGN后，ACN內(nèi)鈣信號強度激增（ΔF/F₀峰值顯著升高），證明信號跨器官傳遞；
膜片鉗記錄到ACN的興奮性突觸后電流（EPSCs），突觸傳遞延遲僅毫秒級。

創(chuàng)新與亮點

本研究的光學技術(shù)突破四大難題：

跨尺度觀測：整合光遺傳學（10μm精度）與鈣成像（單細胞分辨率），實現(xiàn)從突觸到器官尺度的信號追蹤
動態(tài)可視化：首次實時捕捉人源聽覺神經(jīng)通路的電信號轉(zhuǎn)化為光信號的完整過程
無損檢測：光片顯微技術(shù)實現(xiàn)72小時連續(xù)觀測，避免傳統(tǒng)電生理的取樣損傷
高通量篩選：建立光學讀數(shù)與神經(jīng)功能的關(guān)聯(lián)模型，使藥物篩選效率提升15倍
光學革命：將不可見的神經(jīng)電活動轉(zhuǎn)化為可觀測的光學信號，為耳聾治療提供"看得見"的評估標準。

總結(jié)與展望
本研究通過多模態(tài)光成像技術(shù)，在SA-CNTs支架上首次實現(xiàn)人類聽覺神經(jīng)通路的功能可視化，證實光遺傳學刺激可觸發(fā)跨器官鈣信號傳導(dǎo)。該光學平臺不僅為解析耳聾機制提供了動態(tài)觀測窗口，更將推動精準神經(jīng)修復(fù)技術(shù)的發(fā)展。未來研究將聚焦三方面：開發(fā)可植入式微型內(nèi)窺鏡系統(tǒng)用于活體神經(jīng)信號監(jiān)測，優(yōu)化近紅外二區(qū)熒光探針提升成像深度，建立人工智能輔助的光信號解析算法。

通過SA-CNTs支架成功重建了從耳蝸螺旋神經(jīng)元到大腦皮層聽覺神經(jīng)元的功能化連接，標志著聽覺神經(jīng)研究進入“人工回路”新時代。該技術(shù)不僅為解析耳聾機制提供了活體模型，更可拓展至帕金森、阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病研究。

未來團隊將聚焦三方面突破：優(yōu)化支架透明度以兼容更精密成像技術(shù)，引入中間核團神經(jīng)元構(gòu)建多級神經(jīng)回路，以及開發(fā)可植入式碳納米管神經(jīng)修復(fù)裝置。

隨著該平臺的臨床轉(zhuǎn)化，人類有望在十年內(nèi)實現(xiàn)“定制化神經(jīng)回路移植”，徹底改寫神經(jīng)損傷性疾病的治療范式。

聲明：本文僅用作學術(shù)目的。

文章來源于：

Lou Y, Ma J, Hu Y, Yao X, Liu Y, Wu M, Jia G, Chen Y, Chai R, Xia M, Li W. Integration of Functional Human Auditory Neural Circuits Based on a 3D Carbon Nanotube System. Adv Sci (Weinh). 2024 Aug;11(32):e2309617. doi: 10.1002/advs.202309617. Epub 2024 Jun 18. Erratum in: Adv Sci (Weinh). 2024 Dec;11(45):e2410897. 

DOI:10.1002/advs.202410897.