導(dǎo)讀
感音神經(jīng)性耳聾治療的核心挑戰(zhàn)在于重建"耳蝸-大腦"神經(jīng)連接，而傳統(tǒng)模型難以模擬完整通路的光電信號(hào)傳遞。中國(guó)科學(xué)家利用超排布碳納米管（SA-CNTs）支架，結(jié)合多模態(tài)光成像技術(shù)，首次在體外實(shí)現(xiàn)人源聽覺神經(jīng)回路的功能可視化。通過(guò)雙光子鈣成像和光遺傳學(xué)激活，該研究實(shí)時(shí)捕捉到從外周神經(jīng)元到中樞神經(jīng)元的跨器官信號(hào)傳遞，為耳聾機(jī)制研究提供了革命性的光學(xué)觀測(cè)平臺(tái)。

此項(xiàng)突破由復(fù)旦大學(xué)夏明宇、李文妍團(tuán)隊(duì)與東南大學(xué)柴人杰團(tuán)隊(duì)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(xué)激活與鈣成像聯(lián)動(dòng)驗(yàn)證 
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)雙病毒標(biāo)記系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)光學(xué)操控：

光激活：SGN類器官轉(zhuǎn)染ChrimsonR-Scarlet光敏蛋白（激發(fā)波長(zhǎng)590nm）
信號(hào)追蹤：ACN類器官裝載GCaMP6s鈣指示劑（檢測(cè)波長(zhǎng)488nm）
動(dòng)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(hào)傳播
關(guān)鍵數(shù)據(jù)：光刺激觸發(fā)后，ACN內(nèi)ΔF/F?信號(hào)強(qiáng)度提升3.2倍，證實(shí)信號(hào)跨器官傳遞

熒光示蹤神經(jīng)定向生長(zhǎng)
借助熒光蛋白標(biāo)記技術(shù)揭示SA-CNTs的導(dǎo)向機(jī)制：
結(jié)構(gòu)示蹤 ：TUJ1-GFP標(biāo)記神經(jīng)元骨架，NF-H-mCherry示蹤軸突走向
生長(zhǎng)量化 ：多光子顯微鏡三維重建顯示，SA-CNTs上軸突定向角度差縮小至54°（TCPS組160°）
突觸可視化 ：共聚焦成像捕獲SYP（突觸前紅色熒光）與PSD95（突觸后綠色熒光）共定位點(diǎn)

活細(xì)胞動(dòng)態(tài)光片成像
采用光片顯微鏡實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)程無(wú)損觀測(cè)：
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(shí)自動(dòng)掃描，捕捉類器官間神經(jīng)突觸延伸過(guò)程
功能驗(yàn)證：鈣火花（calciumspark）頻率在共培養(yǎng)組提升5倍

碳納米管支架：神經(jīng)元的“高速公路” 
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有超排布結(jié)構(gòu)的碳納米管薄膜（SA-CNTs），其特性成為突破關(guān)鍵：

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(duì)齊，形成寬度約100納米的溝槽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，迫使神經(jīng)元沿固定方向生長(zhǎng)；

導(dǎo)電賦能：平行方向電導(dǎo)率顯著高于垂直方向，增強(qiáng)神經(jīng)元電信號(hào)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(dá)95%（TCPS僅83%），人源神經(jīng)元存活率同步提升。

神經(jīng)元的精準(zhǔn)“布線”與突觸形成
在SA-CNTs上，外周與中樞神經(jīng)元展現(xiàn)出前所未有的有序連接：
定向延伸 ：小鼠SGNs（雙極神經(jīng)元）與ACNs（多極神經(jīng)元）的軸突生長(zhǎng)角度范圍從TCPS的160°縮小至54°，實(shí)現(xiàn)平行排列；
人源突觸生成 ：共培養(yǎng)20天后，人源SGNs與ACNs在SA-CNTs上的軸突交叉點(diǎn)數(shù)量提升5.7倍（18.13vs3.19/10?μm2），且突觸前蛋白（SYP）與后膜蛋白（PSD95）共定位證實(shí)功能性突觸形成。

類器官整合：重建“人耳-大腦”信號(hào)通路
團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步用人胚胎源神經(jīng)祖細(xì)胞構(gòu)建SGN與ACN類器官，植入SA-CNTs-Matrigel3D系統(tǒng)：
類器官分化升級(jí) ：SA-CNTs上TUJ1+成熟神經(jīng)元比例達(dá)41%，較TCPS（22.8%）近乎翻倍；

光遺傳學(xué)激活通路：SGN類器官表達(dá)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(hào)強(qiáng)度激增（ΔF/F?峰值顯著升高），證明信號(hào)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(jí)。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)

本研究的光學(xué)技術(shù)突破四大難題：

 

跨尺度觀測(cè)：整合光遺傳學(xué)（10μm精度）與鈣成像（單細(xì)胞分辨率），實(shí)現(xiàn)從突觸到器官尺度的信號(hào)追蹤
動(dòng)態(tài)可視化：首次實(shí)時(shí)捕捉人源聽覺神經(jīng)通路的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的完整過(guò)程
無(wú)損檢測(cè)：光片顯微技術(shù)實(shí)現(xiàn)72小時(shí)連續(xù)觀測(cè)，避免傳統(tǒng)電生理的取樣損傷
高通量篩選：建立光學(xué)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(xué)革命：將不可見的神經(jīng)電活動(dòng)轉(zhuǎn)化為可觀測(cè)的光學(xué)信號(hào)，為耳聾治療提供"看得見"的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)與展望
本研究通過(guò)多模態(tài)光成像技術(shù)，在SA-CNTs支架上首次實(shí)現(xiàn)人類聽覺神經(jīng)通路的功能可視化，證實(shí)光遺傳學(xué)刺激可觸發(fā)跨器官鈣信號(hào)傳導(dǎo)。該光學(xué)平臺(tái)不僅為解析耳聾機(jī)制提供了動(dòng)態(tài)觀測(cè)窗口，更將推動(dòng)精準(zhǔn)神經(jīng)修復(fù)技術(shù)的發(fā)展。未來(lái)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(hào)監(jiān)測(cè)，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(hào)解析算法。

通過(guò)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(biāo)志著聽覺神經(jīng)研究進(jìn)入“人工回路”新時(shí)代。該技術(shù)不僅為解析耳聾機(jī)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(lái)團(tuán)隊(duì)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(tuán)神經(jīng)元構(gòu)建多級(jí)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(tái)的臨床轉(zhuǎn)化，人類有望在十年內(nèi)實(shí)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(xué)術(shù)目的。

文章來(lái)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.