2022年12月15日，《Brain》期刊在線發表了題為《人多能干細胞來源的紋狀體神經前體細胞功能性修復缺氧缺血性腦病(hypoxic-ischemic encephalopathy, HIE)動物模型基底神經節環路》的研究論文，該研究由中科院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、神經科學國家重點實驗室陳躍軍研究組與復旦大學腦科學研究院熊曼研究員、復旦大學附屬兒科醫院周文浩教授團隊合作完成。該論文發現移植的神經細胞可以在結構和功能上準確修復腦內受損的基底神經節環路，并可以長期改善缺血性腦?。?/span>HIE）小鼠模型的運動功能障礙。  

　　神經系統疾病，包括缺氧缺血性腦病、腦外傷，以及神經退行性疾?。ㄅ两鹕『桶柶澓Ｄ〉龋?，都會導致腦內神經元的丟失和神經環路的破壞，進而產生嚴重的神經功能障礙。HIE是腦組織缺氧缺血導致的腦部病變，可發生在多個年齡段，常見的是新生兒缺氧缺血性腦病，是引起新生兒殘障的主要原因之一。HIE腦損傷（尤其是中重度HIE）患兒運動功能受損的嚴重程度與其基底神經節損傷的程度高度相關?；咨窠浌澲饕杉y狀體、蒼白球、黑質和下丘腦等核團組成，負責調控機體的自主和隨意運動。而紋狀體作為HIE腦損傷中基底神經節環路受損的關鍵核團，不僅接受上游皮層和丘腦的神經輸入，也接受來自于黑質的神經輸入，這些輸入信號經紋狀體中的GABA中型多棘神經元(medium spiny neuron，MSN，約占紋狀體細胞的95%以上)投射至蒼白球和黑質腦區構成的直接通路和間接通路進行神經輸出，最終匯入丘腦整合后向大腦運動皮層發出指令，形成調控機體運動功能的神經環路。 長期以來，中樞神經系統損傷后的再生修復，尤其是如何在結構和功能上準確修復受損神經環路，一直是神經科學領域的難題與研究焦點。  

　　陳躍軍研究組長期致力于開發不同類型神經元的人源干細胞神經分化方法，研究干細胞治療神經系統疾病的環路機制。在前期的研究中，團隊成員在帕金森病模型小鼠腦內移植干細胞來源的人多巴胺能神經元，特異性地修復和重建了受損的黒質-紋狀體神經連接，并且其結構和功能與內源神經連接高度一致（Cell Stem Cell. 2021，28: 112-126）。該研究證明，不同類型的神經細胞對環路的修復作用不同，并且提示對于不同類型神經元丟失造成的神經系統疾病，需要移植特定的神經細胞進行環路修復和治療。  

       基于前期工作中得到的啟示，陳躍軍與熊曼、周文浩再次合作，致力于缺氧缺血性腦病治療新策略的研發及機制研究。研究團隊將人胚胎干細胞定向分化為紋狀體神經前體細胞（Striatal Neural Progenitors, SNPs），并結合Crispr/Cas9基因編輯技術、狂犬病毒環路示蹤技術、APEX介導的突觸電鏡標記技術、膜片鉗電生理技術、光/化學遺傳學技術，深入研究了HIE腦損傷后移植SNPs對受損基底神經節環路，尤其是紋狀體-蒼白球、紋狀體-黑質通路的修復作用和環路整合。

　　研究結果發現，移植到小鼠紋狀體內的人源SNPs可在HIE損傷腦內大量存活，分化為紋狀體GABA能投射神經元(圖1：A)，并顯著降低HIE損傷引起的腦組織丟失(圖1：B)；進一步使用人神經細胞特異性標記物hNCAM染色顯示，移植后1個月移植細胞即可長出軸突，特異性投射至宿主大腦的蒼白球內側部、蒼白球外側部和黑質區域（圖1：C），重構基底神經節環路的直接通路和間接通路，且移植細胞的神經末梢可與宿主細胞形成突觸結構（圖1：D）。通過狂犬病毒示蹤實驗，證明移植細胞可接受來自宿主多腦區神經元的神經支配，建立與內源相似的輸入性連接，說明移植細胞與宿主細胞建立了正確的結構連接。 

　　圖1：移植到小鼠紋狀體內的人源SNPs可在HIE損傷腦內大量存活  

　　為了進一步探索外源移植的人紋狀體SNPs是否可在功能上修復HIE大腦受損的基底神經節環路，研究者使用膜片鉗電生理結合光遺傳學技術，記錄移植細胞的電活動。研究結果顯示，移植細胞可以接收宿主紋狀體(圖2：A)和皮層細胞(圖2：B)的功能性神經支配，同時移植的神經元也可調控宿主紋狀體(圖2：C)及遠端投射靶標—黑質區域(圖2：D)神經元的活性，證明移植細胞可在功能上整合入宿主基底神經節環路中。  

　　圖2：使用膜片鉗電生理結合光遺傳學技術，記錄移植細胞的電活動 

　　進一步的研究發現移植紋狀體GABA能投射神經元能長期改善動物的運動功能障礙，而移植GABA能中間能神經元則沒有治療作用。通過化學遺傳學技術對移植細胞的活性進行操控，發現抑制移植的人紋狀體神經元的活性，可以使行為學已經恢復的HIE模型動物產生運動障礙，從而證明了HIE模型動物的行為學恢復與移植塊功能的因果關系。 

　　該研究首次解析了干細胞治療缺氧缺血性腦病的作用和移植細胞介導的環路修復機制，為新生兒缺氧缺血性腦損傷這一臨床重癥疾病的治療提供了新的策略。  

　　該研究由中科院腦智卓越中心博士研究生周盈盈、復旦大學附屬兒科醫院姬小利博士合作完成，中科院腦智卓越中心陳躍軍研究員、復旦大學腦科學研究院熊曼研究員、復旦大學附屬兒科醫院周文浩教授為共同通訊作者。該工作得到中科院、科技部、基金委的資助。