文獻解讀：基于3D碳納米管系統的人類功能性聽覺神經回路整合
感音神經性耳聾治療的核心挑戰在于重建"耳蝸-大腦"神經連接，而傳統模型難以模擬完整通路的光電信號傳遞。中國科學家利用超排布碳納米管（SA-CNTs）支架，結合多模態光成像技術，首次在體外實現人源聽覺神經回路的功能可視化。通過雙光子鈣成像和光遺傳學激活，該研究實時捕捉到從外周神經元到中樞神經元的跨器官信號傳遞，為耳聾機制研究提供了革命性的光學觀測平臺。
此項突破由復旦大學夏明宇、李文妍團隊與東南大學柴人杰團隊共同完成，研究成果《基于3D碳納米管系統的人類功能性聽覺神經回路整合》發表于《Advanced Science》。
重要發現
光遺傳學激活與鈣成像聯動驗證
研究團隊通過雙病毒標記系統實現精準光學操控：
光激活：SGN類器官轉染ChrimsonR-Scarlet光敏蛋白（激發波長590nm）
信號追蹤：ACN類器官裝載GCaMP6s鈣指示劑（檢測波長488nm）
動態捕捉：共聚焦顯微鏡以1.5幀/秒速率記錄光刺激后鈣信號傳播
關鍵數據：光刺激觸發后，ACN內ΔF/F₀信號強度提升3.2倍，證實信號跨器官傳遞
借助熒光蛋白標記技術揭示SA-CNTs的導向機制：
結構示蹤：TUJ1-GFP標記神經元骨架，NF-H-mCherry示蹤軸突走向
生長量化：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
活細胞動態光片成像
采用光片顯微鏡實現長時程無損觀測：
培養系統：SA-CNTs-Matrigel3D培養體系維持器官活性
連續記錄：每12小時自動掃描，捕捉類器官間神經突觸延伸過程
功能驗證：鈣火花（calciumspark）頻率在共培養組提升5倍
研究團隊設計了一種具有超排布結構的碳納米管薄膜（SA-CNTs），其特性成為突破關鍵：
定向引導：SEM與原子力顯微鏡顯示，納米管間距均勻、高度對齊，形成寬度約100納米的溝槽拓撲結構，迫使神經元沿固定方向生長；
導電賦能：平行方向電導率顯著高于垂直方向，增強神經元電信號傳遞效率；
生物相容性：經聚賴氨酸（PDL）改性后，支架親水性提升，小鼠神經元存活率高達95%（TCPS僅83%），人源神經元存活率同步提升。
神經元的精準“布線”與突觸形成在SA-CNTs上，外周與中樞神經元展現出前所未有的有序連接：
定向延伸：小鼠SGNs（雙極神經元）與ACNs（多極神經元）的軸突生長角度范圍從TCPS的160°縮小至54°，實現平行排列；
人源突觸生成：共培養20天后，人源SGNs與ACNs在SA-CNTs上的軸突交叉點數量提升5.7倍（18.13vs3.19/10⁵μm²），且突觸前蛋白（SYP）與后膜蛋白（PSD95）共定位證實功能性突觸形成。
類器官整合：重建“人耳-大腦”信號通路
團隊進一步用人胚胎源神經祖細胞構建SGN與ACN類器官，植入SA-CNTs-Matrigel3D系統：
類器官分化升級：SA-CNTs上TUJ1+成熟神經元比例達41%，較TCPS（22.8%）近乎翻倍；
光遺傳學激活通路：SGN類器官表達光敏蛋白ChrimsonR，ACN類器官裝載鈣指示劑GCaMP6s；
590nm光刺激SGN后，ACN內鈣信號強度激增（ΔF/F₀峰值顯著升高），證明信號跨器官傳遞；
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。
創新與亮點
本研究的光學技術突破四大難題：
跨尺度觀測：整合光遺傳學（10μm精度）與鈣成像（單細胞分辨率），實現從突觸到器官尺度的信號追蹤
動態可視化：首次實時捕捉人源聽覺神經通路的電信號轉化為光信號的完整過程
無損檢測：光片顯微技術實現72小時連續觀測，避免傳統電生理的取樣損傷
高通量篩選：建立光學讀數與神經功能的關聯模型，使藥物篩選效率提升15倍
光學革命：將不可見的神經電活動轉化為可觀測的光學信號，為耳聾治療提供"看得見"的評估標準。
總結與展望
本研究通過多模態光成像技術，在SA-CNTs支架上首次實現人類聽覺神經通路的功能可視化，證實光遺傳學刺激可觸發跨器官鈣信號傳導。該光學平臺不僅為解析耳聾機制提供了動態觀測窗口，更將推動精準神經修復技術的發展。未來研究將聚焦三方面：開發可植入式微型內窺鏡系統用于活體神經信號監測，優化近紅外二區熒光探針提升成像深度，建立人工智能輔助的光信號解析算法。
通過SA-CNTs支架成功重建了從耳蝸螺旋神經元到大腦皮層聽覺神經元的功能化連接，標志著聽覺神經研究進入“人工回路”新時代。該技術不僅為解析耳聾機制提供了活體模型，更可拓展至帕金森、阿爾茨海默病等神經退行性疾病研究。
未來團隊將聚焦三方面突破：優化支架透明度以兼容更精密成像技術，引入中間核團神經元構建多級神經回路，以及開發可植入式碳納米管神經修復裝置。
隨著該平臺的臨床轉化，人類有望在十年內實現“定制化神經回路移植”，徹底改寫神經損傷性疾病的治療范式。
聲明：本文僅用作學術目的。
文章來源于：
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.
