脑类器官是干细胞衍生的具有与人脑类似结构的“迷你”大脑，已被用于研究脑发育及神经系统疾病。真实大脑发育过程中需要外界感觉刺激信息输入，这对发育早期大脑中神经元的生长、功能性连接的形成至关重要；而“体外培养”的脑类器官由于缺乏信息输入，可能会阻碍其成熟发育和复杂网络形成。近日，脑机交互与人机共融海河实验室PI李晓红教授团队提出了电信息提供人工刺激来模拟外界信息输入，进而优化脑类器官成熟发育的新思路，并基于体内模型验其移植后与宿主的结构-功能整合作用。成果发表于中科院一区TOP综合性期刊Journal of Advanced Research。
该研究基于团队研发的片上脑-机接口体外应用系统，探究电信息对脑类器官发育的影响。研究综合运用免疫荧光技术、RNA测序、钙成像、多电极阵列等实验方法，实验发现电信息能促进脑类器官分化成熟，具体表现为皮质板发育和突触结构增多。采用RNA测序阐述了电信息可能是通过 CAMKII-PKA-pCREB 通路促进脑类器官成熟发育的分子机制。进而，通过钙成像和多电极阵列进一步揭示电信息促进了脑类器官的功能发育成熟。
随后，研究团队基于片上脑-机接口体内应用系统，将接受过电信息输入的脑类器官移植至免疫缺陷小鼠初级感觉皮层（S1），结果显示了更好的分化和成熟度，以及更多更广泛的远端脑区轴突投射；同时该研究采用移植物电生理-宿主行为学同步捕捉技术分析，证实了电信息输入脑类器官与移植宿主的功能整合显著提高。
近年来，李晓红教授团队关注“生物与信息融合”的医工交叉方向，聚焦片上脑-机接口领域的研究，前期发表在《Brain》期刊中的研究，厘清了超声机械力学信息调控脑类器官神经发育的机制。本研究则继续探讨了信息输入对脑类器官的影响，揭示了电信息对脑类器官神经网络成熟的关键作用和潜在机制，以“Brain Organoid Maturation and Implantation Integration Based on Electrical Signals Input”为题发表于Journal of Advanced Research。
本研究依托先进医用材料与医疗器械全国重点实验室、脑机交互与人机共融海河实验室，获得了“十四五”国家重点研发计划（组织工程类脑智能复合体设计与开发，2021YFF1200800）的资助与支持。实验室李晓红教授和明东教授为该论文的通讯作者，2022级博士生胡楠和2021级博士生常哲瀚为共同第一作者。
