在一项重要的科学进展中，研究人员发现人类脑细胞在太空的无重力环境中发育方式与地球上的不同。虽然科学家们早就知道微重力会影响肌肉、骨骼、免疫系统和认知功能，但直到现在，人们对微重力对大脑的具体影响知之甚少。这项研究揭示了人类大脑在太空旅行期间如何适应的新见解，甚至可能为研究帕金森病和多发性硬化症等神经疾病提供新的视角。
该研究发表在《干细胞转化医学》杂志上，记录了首次成功在国际空间站（ISS）上培养和分析人类脑组织模型——称为神经类器官。这些直径仅几百微米的三维脑细胞簇在距离地球表面约250英里的轨道上度过了30天，处于科学家所说的微重力环境中。
研究团队使用人类诱导多能干细胞（iPSCs）——即经过重新编程恢复到可以发展成不同细胞类型的成人细胞——创建了这些类器官。他们开发了两种不同类型的神经类器官：一种含有类似于大脑皮层（涉及思考和记忆的大脑外层）的细胞，另一种含有通常在帕金森病中受影响的多巴胺生成神经元。
研究包括来自四个人的细胞——两名健康捐赠者和两名患有神经系统疾病的患者（一名患有帕金森病，另一名患有原发性进行性多发性硬化症）。为了使模型更加全面，研究人员在一半的类器官中添加了称为小胶质细胞的免疫细胞，以观察大脑的常驻免疫系统在太空环境中的功能。
脑类器官在国际空间站上度过一个月后仍然健康并继续生长。（图片来源：Jeanne Loring）
一个关键的创新是开发了一种方法来维持这些脆弱结构在太空飞行中的生存。类器官通常在富含营养的液体中生长，这种液体需要定期更换以提供营养并去除废物。为了避免在国际空间站上进行实验室工作，研究团队开创了一种方法，使比平时更小的类器官在冷冻管中生长——这些冷冻管最初设计用于深冻保存。每个类器官被密封在一个含有1毫升特制生长介质的小瓶中。
这些类器官在肯尼迪航天中心的实验室中准备，并通过SpaceX任务运送到国际空间站。“这些细胞在太空中存活下来真是个大惊喜，”斯克里普斯研究所分子医学系名誉教授、再生医学中心创始主任Jeanne Loring博士在一份声明中说。
在分析返回的类器官时，研究人员发现空间生长的样本与其地球上的对照组之间存在明显差异。“我们发现，在两种类型的类器官中，基因表达谱显示出比地面样本更成熟的特征，”Loring说。“在微重力下，它们发育得更快，但重要的是要知道这些并不是成年神经元，因此这并不能告诉我们关于衰老的任何信息。”
研究团队发现，当这些细胞返回地球并放置在实验室培养皿中时，它们通过延伸连接纤维（称为神经突）展示了其活力。与预期相反，分析显示空间生长的类器官几乎没有细胞应激或炎症的证据——实际上，与地球生长的样本相比，它们的炎症更少，与应激相关的基因表达也更低。
迷你脑类器官显示出类似皮层的结构。（图片来源：Andras Lakatos/剑桥大学）
研究揭示了细胞通信途径的改变，特别是在Wnt信号传导中，后者在大脑发育中起着基础作用。研究人员还观察到细胞向周围环境分泌的蛋白质的变化，尽管这些变化在不同类型类器官之间有所不同。
值得注意的是，这些细胞变化似乎主要受微重力环境的影响，而不是空间辐射。在这30天的任务期间，辐射暴露约为12毫戈瑞——相当于长途航班机组人员在相同时间内可能经历的辐射水平。
为什么脑细胞在太空中会以不同的方式发育？“微重力的特性可能也在人们的脑中起作用，因为在微重力下没有对流——换句话说，事物不会移动，”Loring说。“我认为在太空中，这些类器官更像是大脑，因为它们不会被大量的培养基或氧气冲洗。它们非常独立，形成了像微型大脑一样的结构。”
这些发现有助于太空探索研究和潜在的医疗应用。了解脑细胞如何响应微重力可以为支持宇航员在长期太空任务中的健康提供策略。此外，研究这些细胞在太空中以不同方式发育可能为调查地球上的神经条件提供新的视角。
这一初步成功为持续研究铺平了道路。自第一次任务以来，在这些结果发表之前，研究团队已经完成了四次前往国际空间站的任务，每次任务都在其初步发现的基础上增加了新的实验条件。未来的研究将考察受阿尔茨海默病影响的大脑区域，并调查神经元在太空中连接方式的潜在差异。
“在这样的研究中，你不能依赖早期的工作来预测结果，因为没有早期的工作，”Loring指出。“我们可以说是在底层；在天空中，但在底层。”
论文摘要
方法
研究人员从人类诱导多能干细胞生成神经类器官，引导它们发展成皮层或多巴胺生成神经元。每个类器官被密封在含有1毫升生长介质的冷冻管中，并通过SpaceX任务运输到国际空间站。类器官在太空中停留30天，同时相同的对照类器官留在地球上。整个过程中监测温度和辐射暴露。返回后，类器官进行了多项分析，包括RNA测序、蛋白质分泌研究和显微镜检查。
结果
分析显示，空间生长的类器官与地面对照组在基因表达方面存在显著差异。空间生长的样本显示出成熟相关基因水平升高和增殖相关基因水平降低。这些变化在皮层和多巴胺能类器官中均一致。类器官在返回后保持活力，并能生成神经网络。
局限性
几个因素限制了研究的广泛应用：样本量仅限于四位细胞捐赠者。类器官模型虽然有用，但代表简化的脑组织版本。一个月的持续时间可能无法反映更长时间的太空暴露效应。静态培养系统的影 响无法完全与微重力效应分开。研究并未设计用来识别健康细胞和患者来源细胞之间的疾病特定差异。
讨论和结论
在微重力条件下观察到的神经细胞成熟增强为大脑发育提供了新的见解。证据表明，微重力而非其他太空相关因素驱动了观察到的变化。静态培养系统的成功实施为长期类器官维护提供了一种新方法。这些发现可能对太空医学和地球研究都有重要意义。
资助和披露
这项研究得到了国家干细胞基金会的资助。国际空间站国家实验室提供了项目支持。研究人员声明其发现不存在利益冲突。
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