科羅拉多州立大學新發表的研究解答了有關大腦細胞連接的基本問題，這可能有助于開發治療自閉癥、癲癇或精神分裂癥等神經系統疾病的藥物。

這項研究被刊登在《美國國家科學院院刊》上，重點研究了大腦中的神經元如何通過高度專業化的亞細胞結構突觸相互傳遞信息。這些精細的結構是通過電化學信號控制神經系統許多過程的關鍵，而基因中的致病突變會損害突觸的發育，從而導致嚴重的精神障礙。助理教授 Soham Chanda表示，盡管突觸在連接不同大腦區域的神經元方面發揮著重要作用，但人們對突觸的形成和功能仍不太了解。

為了回答這個基本問題，Chanda 和他在生物化學和分子生物學系的團隊專注于一種特殊而重要的突觸類型，稱為 GABAergic。他說，神經科學研究人員長期以來一直假設這些突觸可能是由于 GABA 的釋放和兩個相鄰神經元之間相應的傳感活動而形成的。然而，論文中的研究表明，這些突觸可以開始自主發育，并且與神經元通訊無關，這主要是由于一種名為 Gephyrin 的蛋白質的支架作用。這些發現闡明了突觸形成的關鍵機制，這可能使研究人員能夠進一步關注突觸功能障礙和健康治療方案。

Chanda 的團隊利用源自干細胞的人類神經元開發出一種大腦模型，可以嚴格測試這些關系。利用一種名為 CRISPR-Cas9 的基因編輯工具，他們能夠對該系統進行基因操控，并確認 Gephyrin 在突觸形成過程中的作用。

“我們的研究表明，即使突觸前神經元不釋放 GABA，突觸后神經元仍然可以組裝感知 GABA 所需的分子機制，”Chanda 說道。“我們使用基因編輯工具從神經元中去除 Gephyrin 蛋白，這大大減少了突觸的自主組裝 - 證實了其與神經元通訊無關的重要作用。”

利用干細胞促進對神經元和突觸形成的理解

神經科學家傳統上用嚙齒動物系統來研究大腦中的這些突觸連接。雖然這提供了一個合適的模型，但 Chanda 和他的團隊對在人類細胞環境中測試突觸特性感興趣，最終可以更容易地轉化為治療方法。

為了實現這一目標，他的團隊培育了人類干細胞，使其形成能夠模仿人類神經元和突觸特性的腦細胞。然后，他們對這些神經元進行了廣泛的高分辨率成像，并追蹤了它們的電活動，以了解突觸機制。

Chanda 表示，Gephyrin 蛋白的幾種突變與癲癇等神經系統疾病有關，癲癇會改變人類大腦的神經元興奮性。因此，了解其基本細胞功能是治療和預防的重要第一步。

“現在我們更好地了解了這些突觸結構如何相互作用和組織，下一個問題將是闡明它們之間的關系缺陷如何導致疾病，并找出預測或干預該過程的方法，”他說。