太空环境对大脑有何影响？国际空间站的一项突破性实验揭示了令人惊讶的见解。据斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）报道，这项研究展示了太空中的脑类器官（由干细胞衍生的小型脑细胞簇）表现出更快的成熟速度、较低的炎症水平，并更接近于地球上的脑样条件。这些发现为理解微重力对神经健康的影响开辟了新的途径，并为未来的神经退行性疾病和太空神经行为研究铺平了道路。
斯克里普斯研究所的科学家揭示了微重力对脑细胞的影响
已知微重力会影响肌肉、骨骼、免疫系统和认知功能，但其对大脑的具体影响仍鲜为人知。为了探究这一点，斯克里普斯研究所的科学家与纽约干细胞基金会合作，将一小簇脑细胞（称为“类器官”）送上了国际空间站（ISS）。这些类器官由干细胞衍生，旨在模拟某些方面的脑发育。
令人惊讶的是，这些类器官在轨道上停留一个月后返回地球时仍然健康。然而，它们的成熟速度比地球上相同的类器官更快。暴露在太空中的细胞更接近完全成熟的神经元，并显示出早期的专业化迹象。这些发现最近发表在《干细胞转化医学》（Stem Cells Translational Medicine）杂志上，为太空旅行可能如何影响神经发育和脑功能提供了新的见解。
“这些细胞能够在太空中存活，这本身就是一个很大的惊喜，”共同资深作者、斯克里普斯研究所分子医学系名誉教授兼再生医学中心主任珍妮·洛林博士（Jeanne Loring, PhD）说。“这为未来在太空中进行的实验奠定了基础，我们可以包括其他受神经退行性疾病影响的大脑部分。”
在微重力环境中研究类器官的创新方法
在地球上，研究团队使用干细胞创建了由皮质或多巴胺能神经元组成的类器官，这些神经元群体分别受到多发性硬化症和帕金森病的影响——这两种疾病是洛林研究了几十年的对象。一些类器官还包含了小胶质细胞，这是一种存在于大脑内的免疫细胞，用于研究微重力对炎症的影响。
脑类器官在国际空间站上度过了一个月后仍然健康并继续生长。
通常，类器官是在富含营养的液体培养基中生长的，这种培养基需要定期更换以确保细胞获得足够的营养并清除废物。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，即在冷冻管中培养比常规更小的类器官——这些冷冻管最初是为深冻设计的小型密封试管。
类器官在肯尼迪航天中心的实验室中准备，并在微型孵化器中送往国际空间站。一个月后，它们返回地球，研究团队证实它们健康且完好无损。
微重力环境中的基因表达和更快的细胞成熟
为了研究太空环境如何影响细胞功能，研究团队比较了细胞的RNA表达模式——这是衡量基因活性的一种指标——与留在地球上的相同“地面对照”类器官。令人惊讶的是，他们发现，在微重力环境下生长的类器官中，与成熟相关的基因水平更高，而与增殖相关的基因水平更低，这意味着暴露在微重力下的细胞发育更快，复制次数少于地球上的细胞。
“我们发现，在两种类型的类器官中，基因表达谱都表现出比地面上的类器官更老的发展阶段，”洛林说。“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，所以这并不能告诉我们任何关于衰老的信息。”
研究团队还注意到，与他们的假设相反，在微重力环境下生长的类器官中，炎症较少，应激相关基因的表达也较低，但需要进一步研究来确定原因。
洛林推测，微重力条件可能更接近于大脑内细胞经历的条件，而不是在常规实验室条件下和存在重力的情况下生长的类器官。
“微重力的特性可能也在人们的大脑中起作用，因为在微重力下没有对流——换句话说，东西不会移动，”洛林说。“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培养基或氧气冲洗。它们非常独立，形成了类似‘小脑’的结构。”
论文描述了团队的第一次太空任务，但自那以后，他们已经向国际空间站发送了四次更多任务。每次任务中，他们都复制了第一次任务的条件，并增加了额外的实验。
“下一步我们计划研究受阿尔茨海默病影响最大的大脑部分，”洛林说。“我们还想知道神经元在太空中的连接方式是否有差异。对于这类研究，你不能依赖以前的工作来预测结果，因为没有以前的工作。我们可以说是在最底层，尽管是在天空中，但也是最底层。”
参考文献：“微重力对国际空间站上人类iPSC衍生神经类器官的影响”，作者：Davide Marotta、Laraib Ijaz、Lilianne Barbar、Madhura Nijsure、Jason Stein、Nicolette Pirjanian、Ilya Kruglikov、Twyman Clements、Jana Stoudemire、Paula Grisanti、Scott A Noggle、Jeanne F Loring 和 Valentina Fossati，2024年10月23日，《干细胞转化医学》。
DOI: 10.1093/stcltm/szae070
这项工作得到了国家干细胞基金会的资金支持。
除了洛林，该研究的作者还包括斯克里普斯研究所的Jason Stein；纽约干细胞基金会研究学院的Davide Marotta、Laraib Ijaz、Lilianne Barbar、Madhura Nijsure、Nicolette Pirjanian、Ilya Kruglikov、Scott A. Noggle 和 Valentina Fossati；Space Tango的Twyman Clements 和 Jana Stoudemire；以及国家干细胞基金会的Paula Grisanti。
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