这些发现最终可能有助于医生减少在诊断和治疗心理健康障碍时的失误。如今，许多精神疾病的确诊仅依赖临床判断，治疗则采用药物试错法。
这项研究发表在《APL Bioengineering》期刊上。
为何精神分裂症和双相情感障碍难以诊断
“精神分裂症和双相情感障碍非常难以诊断，因为大脑中没有特定的区域出现异常。这不像帕金森病那样有特定的酶出现异常，帕金森病是另一种神经系统疾病，医生可以根据多巴胺水平进行诊断和治疗，尽管该病目前仍无根治方法，”领导这项研究的约翰斯·霍普金斯大学生物医学工程师安妮·卡图里亚（Annie Kathuria）说。“我们希望在未来，我们不仅能通过脑类器官确认患者是否患有精神分裂症或双相情感障碍，还能在类器官上测试药物，以找出可能有助于他们恢复健康状态的药物浓度。”
科学家如何构建和研究脑类器官
为了开展这项研究，卡图里亚的团队创建了脑类器官，即真实人体器官的简化版本。他们首先将来自精神分裂症患者、双相情感障碍患者以及健康个体的血液和皮肤细胞转化为能够发育成脑类组织的干细胞。
随后，研究团队利用机器学习工具分析了这些“微型大脑”内部细胞的电活动。在人脑中，神经元通过相互发送短暂的电信号进行交流，研究人员专注于识别与健康和异常大脑功能相关的活动模式。
电生物标志物识别精神疾病
科学家发现，类器官电行为的特定特征可作为精神分裂症和双相情感障碍的生物标志物。仅利用这些信号，他们就能在83%的情况下正确识别出哪些类器官来自患病个体。当组织接受旨在激发更多神经活动的温和电刺激时，准确率提升至92%。
他们发现的模式复杂且高度特异。来自精神分裂症和双相情感障碍患者的神经元在多项电测量中表现出异常的放电峰值和时间变化，从而为每种疾病创造了独特的特征。
“至少在分子层面上，我们可以检查在培养皿中构建这些大脑时出了什么问题，并根据这些电生理特征区分健康人、精神分裂症患者或双相情感障碍患者的类器官，”卡图里亚说。“我们追踪神经元在发育过程中产生的电信号，并将它们与没有这些精神障碍的患者的类器官进行比较。”
利用微芯片绘制大脑活动
为了更好地理解神经元如何形成网络，研究人员将类器官放置在配备了呈网格状排列的多电极阵列的微芯片上。这种设置使他们能够以类似于微型脑电图（EEG）的方式收集数据，脑电图是医生用于测量患者大脑活动的检测手段。
发育完全后，这些类器官的直径约为三毫米。它们包含通常在大脑前额叶皮层中发现的多类神经细胞，该区域涉及高级思维活动。这些“微型大脑”还产生了髓磷脂，这是一种隔离神经细胞并帮助电信号更高效传递的物质。
迈向个性化精神科治疗
这项研究仅包含12名患者的样本，但卡图里亚认为这些结果指向有意义的临床应用。这些类器官最终可能成为精神科药物的测试平台，在药物开给患者之前进行测试。
该团队目前正与约翰斯·霍普金斯医学院的神经外科医生、精神科医生和神经科学家合作。他们正在收集精神科患者额外的血液样本，以研究不同药物浓度如何影响类器官活动。尽管样本数量有限，研究人员相信他们可能能够建议有助于恢复更健康神经模式的药物剂量。
“大多数医生给患者开这些药时就是采用试错法，可能需要六七个月才能找到合适的药物，”卡图里亚说。“氯氮平是治疗精神分裂症最常用的药物，但约40%的患者对其具有耐药性。有了我们的类器官，也许我们就不必经历那个试错阶段。也许我们可以更快地为他们提供对症的药物。”