剑桥大学的科学家们制造了微小的实验室培养的大脑和脊髓系统，模拟运动信号在人体神经系统中的传递方式。利用这个模型，研究团队发现，曾经被认为永久性的神经损伤在某些条件下实际上可能是可逆的。

随着人体从胚胎发育成胎儿再到婴儿，神经元在大脑和脊髓之间形成复杂的通信网络。这些信号通过轴突传递，轴突是允许神经元发送信息并控制肌肉运动的长神经纤维。然而，随着时间的推移，中枢神经系统在很大程度上失去了再生受损轴突的能力。因此，大脑或脊髓的损伤往往成为永久性的，导致严重的残疾，如瘫痪或运动能力丧失。这种再生能力的丧失也与神经系统疾病有关，包括运动神经元病和多发性硬化症。

2021年，剑桥大学的András Lakatos博士及其同事利用从患者身上提取的干细胞开发了微型人类大脑模型。这些豌豆大小的“脑类器官”类似于大脑皮层的一部分，使研究人员能够研究与运动神经元病相关的分子变化，并探索预防这些变化的方法。现在，在一项发表在《细胞报告》上的新研究中，研究人员扩展了这项工作，构建了一个连接人类大脑和脊髓系统的微型版本。由于大脑和脊髓在身体中是分离但相连的结构，研究团队在实验室中将类器官物理分开。然后，他们观察到来自脑组织的轴突穿过间隙并与脊髓组织连接。由此产生的神经回路功能强大，足以触发微小肌肉细胞簇的收缩。

科学家们在实验室中维持这些微型系统超过一年。他们发现，直到发育的第150天左右（大致相当于妊娠中期），受损的轴突仍然可以再生。在那之后，神经元的再生能力显著下降。剑桥大学临床神经科学系的George Gibbons（该研究的第一作者）说：“取自较不成熟类器官的神经元在损伤后能重新长出长纤维，但取自较成熟类器官的神经元再生能力急剧下降。换句话说，随着人类神经元在中枢神经系统中成熟，再生能力差是它们固有的特性。”

研究团队分析了连接大脑和脊髓的神经元中的基因活动。他们的工作揭示了一个基因网络，它像一个生物开关，在神经元成熟并形成突触时限制轴突生长。值得注意的是，当研究人员阻断这个网络中的关键调节因子时，神经元重新获得了生长轴突的能力。研究人员还搜索了一个药物化合物数据库，以识别影响这个新发现的基因网络的药物。一个有希望的候选药物是利奈孕醇，这是一种目前被批准用于某些月经失调和避孕的激素药物。当该药物在受损神经元上进行测试时，它显著改善了轴突的再生。

科学家们指出，疤痕组织和炎症也会干扰损伤后的神经修复。然而，理解限制再生的神经元特异性生物机制仍然至关重要。先前的证据表明，较年轻的神经元可以在通常阻碍损伤部位修复的环境中生长。该研究的资深作者、剑桥大学临床神经科学系的András Lakatos博士说：“当大脑和脊髓受损时，将运动信号从大脑传递到脊髓的神经纤维很少能再生。这就是为什么瘫痪通常是永久性的。但我们之前不知道轴突的再生能力何时变得有限。我们的模型提供了一个很好的工具来研究这个问题。”