“一旦发育结束，轴突和树突的生长和再生源泉便不可逆转地枯竭了。在成年中枢中，神经通路是固定不变的：一切可能死亡，而没有任何东西可以再生。”
这是圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔（Santiago Ramon y Cajal）最著名的名言之一，他在该领域的成就为他赢得了“神经科学之父”的称号。他还获得了诺贝尔医学奖。
然而，如果有一件事是我们对科学的了解，那就是它总是在进步的。多年来，我们了解到圣地亚哥关于中枢神经系统无法再生的观点是错误的。
这要归功于神经发生（neurogenesis）的发现。这是一个改变我们对大脑一切认知的概念。
神经细胞简介
可以说是人体最神秘的部分之一，大脑在有记载的历史之前就一直是研究的主题。这些研究大多较为抽象，专注于大脑如何控制我们的欲望和恐惧。有人称之为哲学。
尽管如此，今天的话题不是哲学，而是我们大脑的物理结构：神经元和神经胶质细胞。
神经元是我们大脑的动力源泉，是执行我们通常与“思考”相关联的细胞。通过形成称为突触的连接，它们在整个神经系统中传递信息，告诉我们的身体做什么、何时做以及如何做。你一生中做出的每一个动作，从开门到滚动浏览这篇文章，都要归功于它们。
然后是神经胶质细胞，可以把它们想象成助手。它们的工作是通过代谢和机械支持来促进神经元的功能。例如，少突胶质细胞是一种特殊类型的胶质细胞，形成髓鞘。这是一层脂肪物质，隔离神经元，并允许它们发送信号，让你成为……你自己。
什么是神经干细胞？
如果你打开过电视新闻频道，你可能听说过干细胞。许多人听说过这个术语，但不太明白它的含义，因为媒体炒作要么把它们描绘成灵丹妙药，要么是邪恶不自然的科学。
真相是这样的：干细胞是人体内任何未特化且能够自我更新的细胞。这意味着它们可以执行两个主要功能：1）无限分裂；2）产生经过细胞分化过程的细胞。
细胞分化是指细胞从一种类型转变为另一种类型。这通常发生在细胞通过发展允许它们执行特定功能的特征而变得更加特化时。这个过程由哪些基因（告诉我们的细胞该做什么的代码）被激活或失活来调控。
要获得更深入的理解，你可以在我的介绍文章中了解关于干细胞的基本术语和定义。
神经干细胞只是干细胞的一个亚群，只能分化成神经细胞（神经元和神经胶质细胞）。
神经干细胞在哪里被发现？
目前，神经干细胞已被定位在大脑的两个部分：侧脑室下区（SVZ）和海马体的齿状回（DG）。
不要被这些大词吓到，这里有一些可爱的图表可以帮助你想象。
（图：侧脑室下区示意图）
（图：海马体示意图）
为什么神经发生如此重要？
正如我们从拉蒙的引言中学到的，在科学界，神经发生的过程曾被认为等同于炼金术。
简单来说，神经发生是我们大脑中形成新神经元的过程。
在很长一段时间里，科学家们认为我们出生和死亡时拥有相同数量的神经元。这一切都归功于约瑟夫·奥特曼（Joseph Altman），他通过发现神经干细胞，在1962年证明了成年神经发生是可能的。
在他之前，对于中枢神经系统受伤的人来说，没有希望。
“哦，你脊髓损伤了，损害了中枢神经系统的细胞？啊，太糟了。不过我们对此无能为力 :)”
现在，情况已经改变。在正常情况下需要几十年的研究，现在可以通过使用无限分裂的神经干细胞来指数级加速，从而为研究提供无限数量的神经元。这也意味着寻找阿尔茨海默病等神经退行性疾病的疗法可能不像以前认为的那样不可能。
考虑到神经干细胞研究可能带来的所有好处，问题就变成了：我们最初如何研究神经干细胞？
要做到这一点，我们需要一个允许我们在体外研究它们的过程。幸运的是，这个过程确实存在！它被称为神经球检测，而这个模拟器正是基于此。
什么是神经球检测？
在生物学中，在活体受试者中研究细胞是困难的。我们通常不会试图在自然环境中研究细胞，而是采集样本在实验室中研究。这种在正常环境之外研究细胞的过程称为体外研究。
我们不需要在某人脑中探查来研究神经干细胞，而是制作神经球检测。这是一种体外技术，用于分离未分化神经干细胞的小簇，以研究其生物学特性。
我们可以用神经球检测研究什么？
神经球可用于研究所有类型神经细胞的内在特性，包括神经干细胞。
以下是科学家可以使用神经球检测研究的一些例子：
- 神经干细胞多能性（分化为不同细胞类型的能力）如何受年龄影响。
- 模拟神经退行性疾病如何发展。
- 筛选神经活性化合物——由神经元产生并影响其他神经元的化学物质。
- 测试药物对神经干细胞和分化神经细胞的影响。
- 研究哪些因素影响神经干细胞分化为三种主要神经细胞谱系：神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞。
这些只是几个例子，但底线是：神经球检测是一种关键工具，允许研究人员更多地了解决定我们神经细胞如何发育和工作的细胞和分子机制。
协议简化示例
为了给模拟提供背景，了解最初创建神经球的方法很重要！
闲话少说，以下是神经球检测协议的分步说明：
1. 准备材料 🧴
该过程从将溶液加热到合适温度以及准备手术工具开始。这包括细胞培养基、胰蛋白酶和胰蛋白酶抑制剂。手术工具包括手术刀和镊子等器械。
2. 组织解剖 🔪
科学家定位小鼠大脑的侧脑室，并用手术刀修剪组织。然后用手术刀将组织分解成更小的块。
3. 准备神经球 🧠
准备培养物的过程有很多步骤。为清晰起见，我将其分解为三个主要子步骤。
a) 将样本在离心机中旋转 🔄
离心机是一种旋转样本的机器。该过程将样本的固体和非固体部分分开，称为沉淀和上清液。通过吸出过程丢弃上清液，而沉淀则被培养成神经球。向沉淀中加入胰蛋白酶抑制剂和更多的神经球培养基。这是必要的，因为活性胰蛋白酶会阻止神经球形成。
b) 添加必要的溶液 🍹
该过程中使用的三种主要溶液是细胞培养基、胰蛋白酶和胰蛋白酶抑制剂。
- 细胞培养基——为细胞周期提供必需氨基酸、营养物质和生长因子的凝胶或液体。
- 胰蛋白酶——分解使细胞粘在一起的蛋白质的酶。
- 胰蛋白酶抑制剂——中和胰蛋白酶的蛋白质。
在整个过程中都会添加细胞培养基。在离心前加入胰蛋白酶，以确保细胞不聚集；在离心后加入胰蛋白酶抑制剂，因为细胞需要粘在一起形成神经球。
c) 吹打细胞悬液 💉
吹打是通过移液器反复通过细胞悬液以打碎样本中固体物质块的过程。
4. 计数细胞 🔢
使用一种称为血球计数器的设备来计数悬液中的细胞数量。
5. 将细胞添加到培养板 🍽️
将250微升细胞培养物放入培养板的每个孔中。神经球在37℃（体温）下孵育数天，以使其生长。
（图：48孔板）
重要说明
该过程的几个步骤（如添加溶液和离心样本）在整个协议中重复多次。为了节省时间，我没有描述重复的步骤。
6. 检查神经球 🔎
孵育期后，会出现神经细胞簇（神经球）。每个簇中只有一些细胞是真正的神经干细胞，而其余细胞处于不同的分化阶段。
（图：一个神经球——多种神经细胞簇）
现在我们已经了解了神经球检测是什么以及如何制作，是时候深入模拟器了。
神经球模拟器
神经球模拟器是一个免费访问的交互式模拟器，由东北大学神经生物学实验室制作，模拟神经干细胞引起的组织生长。
模拟器的目标是什么？
它的目的是让用户看到参数变化如何影响神经球，从而更好地理解神经生物学和神经干细胞。
神经球模拟器是如何工作的？
神经球模拟器运行在离散建模框架上，意味着它在微观维度上运作。具体来说，它运行在元胞自动机（CA）建模上。这种类型的模拟模拟生物体自我复制的方式，最早由约翰·冯·诺依曼在20世纪40年代提出。
代理是CA建模的主体。在这种情况下，它们是神经球中的神经细胞。它们被放置在一个二维晶格上的一定数量的方格上。代理以依赖于用户可操纵的预选规则的方式相互作用。规则的一个例子可以是每个细胞分裂如何在设定的时间间隔（迭代 t）执行。
以下是神经球模拟器考虑的一些基本细胞过程：
不对称细胞分裂
这是干细胞中非常常见的过程。在有丝分裂后，只有一个细胞保持干细胞状态，而另一个细胞更加特化。更特化的干细胞版本称为祖细胞。祖细胞是干细胞和特化细胞之间的中间状态。它们没有完全特化，但也不再被认为是干细胞，因为它们失去了无限分裂的能力。它们通常经历一定数量的有丝分裂轮次，直到结果是特化细胞。
模拟器根据细胞的增殖潜能（一个细胞可以分裂成多少种不同细胞类型）对细胞进行分类。
- 干细胞——无限增殖潜能
- 祖细胞——有限增殖潜能
- 特化细胞——无增殖潜能
（图1——神经球模拟器中相互作用的神经细胞类型）
接触抑制
当某些相邻方格被占据时，有丝分裂的可能性降低。当所有相邻方格都被占据时，有丝分裂无法发生。
子细胞位置选择
母细胞在有丝分裂后始终停留在同一方格中：这是一个确定性过程。子细胞有25%的几率被放置在母细胞周围四个方格中的每一个：这是一个随机过程。
细胞死亡
有丝分裂后，两个子细胞中的一个通常会经历程序性细胞死亡，称为凋亡。这是由于控制细胞是否凋亡的蛋白质的不对称分裂。它还受到局部细胞密度的影响，意味着模拟中的细胞如果周围细胞太多，更有可能凋亡。这是为了降低接触抑制率。
下面是当对称分裂的祖细胞发生有丝分裂且三个相邻方格被占据时可能发生的情况的示例：
（图：两个选项——左图两个细胞存活，右图子细胞死亡）
吞噬作用
经历凋亡的细胞尸体造成碎片。小胶质细胞和巨噬细胞清除这些碎片的过程称为吞噬作用。这为新细胞清出空间，降低接触抑制率。
（图：吞噬作用清除死细胞碎片，为新祖细胞腾出空间）
子细胞有25%的几率被放置在母细胞周围四个方格中的每一个。
我的发现
我做的第一件事是运行模拟器的默认设置，找到基线。我将其作为对照组，与操纵自变量的试验进行比较。
由于可以调整的变量组合很多，你可以用神经球模拟器测试许多假设。
（图：用户可以调整的模拟变量列表）
为了节省时间，这里是我用模拟器运行的两个实验：
增殖潜能如何影响干细胞分化？
我最初感兴趣的是观察增殖潜能（祖细胞分化前的分裂次数）如何影响结果。为此，我将增殖潜能值从7降低到1。
以下是两次试验的结果比较：
（图：细胞类型图例——颜色对应）
（图：试验1数据——增殖潜能=7，默认设置）
（图：试验2数据——增殖潜能=1，最低设置）
从模拟中我们可以看出，降低增殖潜能会减少从分化细胞和祖细胞到死细胞的一切数量。
吞噬作用如何影响干细胞分化？
我想研究的第二件事是增加清除时间（死细胞死亡后从晶格位置清除所需的时间）如何影响结果。
以下是试验1和试验3的结果比较：
（图：试验1数据——清除时间=5，默认设置）
（图：试验3数据——清除时间=12，最高设置）
从图表中可以看出，分化细胞的数量确实减少了，但更明显的差异是祖细胞与死细胞的比例。在试验1中，祖细胞的数量始终多于死细胞，而在试验3中则相反。
这表明吞噬作用（清除死细胞）越高效，留下的祖细胞就越多，从而分化出更多细胞。
结论
作为积极研究干细胞领域的人，神经球模拟器是一个很好的资源，原因有很多。
- 数据驱动——模拟基于东北大学神经生物学实验室进行的科学研究数据。
- 虚拟——由于是在线形式，即使没有条件制作神经球实验室的人也可以使用。
- 免费——没有经济障碍，不像其他资源。
- 交互式——用户可调整多个变量，看到调整如何与干细胞分化联系起来。
- 直观设计——网站本身设计良好，易于导航。
- 内置教程——网站上提供的教程简洁地解释了模拟建模的不同概念，如吞噬作用和接触抑制，让你清楚如何使用模拟器。
- 视觉组件——与某些仅用密集数据表表示资源的工具不同，神经球模拟器同时提供图形和晶格模拟，让用户轻松看到神经球在给定条件下的生长情况。
TLDR
干细胞研究是一个不断发展的领域，研究如何利用未分化细胞的力量来推动医学和技术领域的发展。为了研究神经干细胞，科学家使用称为神经球检测的过程在体外培养它们，产生包含不同种类神经细胞和干细胞簇。神经球模拟器是一个在线工具，模拟神经球的生长，允许你调整某些变量来观察神经球生长的变化，从而更好地理解干细胞的工作方式。
感谢您花时间阅读这篇文章！
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