培养神经元

培养神经元（Cultured Neurons），或称神经元细胞培养（Neuronal Cell Culture），是指将动物或人类的神经元（Neurons）从活体组织中分离出来，并在体外人工控制的适宜环境中（培养皿、培养瓶等）进行维持、生长和分化的实验技术体系。它是现代神经科学研究中最核心、最通用的体外模型（In Vitro Model）之一，为在简化且可控的条件下研究神经元发育、形态、生理、生化及病理机制提供了不可替代的平台。

1. 培养类型
根据来源和制备方法，主要分为：

• 原代神经元培养（Primary Neuronal Culture）：直接从胚胎或新生动物（常用大鼠、小鼠、鸡胚等）的特定脑区（如海马体、大脑皮层、小脑、背根神经节）分离获取的神经元。它们能在体外重现许多体内特性，如轴突/树突极化、形成功能性突触、表现突触可塑性等，被认为是体外最接近体内生理状态的模型。

• 永生化神经元细胞系（Immortalized Neuronal Cell Lines）：通过基因工程手段（如导入癌基因）获得的可无限增殖的细胞系（如PC12细胞 [大鼠嗜铬细胞瘤]、SH-SY5Y细胞 [人神经母细胞瘤]）。它们增殖能力强、易于遗传操作，但分化后神经元特性有限，多用于高通量筛选或特定信号通路研究。

• 干细胞来源神经元（Stem Cell-Derived Neurons）：包括从胚胎干细胞（Embryonic Stem Cells, ESCs）或诱导多能干细胞（Induced Pluripotent Stem Cells, iPSCs）定向分化而来的神经元。尤其是iPSC技术，使得从患者（如阿尔茨海默病、帕金森病患者）细胞获得人源神经元成为可能，为疾病建模和个性化医疗研究开辟了新道路。

2. 关键技术环节

• 分离：使用酶消化（如胰蛋白酶 Trypsin）和机械吹打，从组织中解离出单细胞悬液。

• 培养基：通常为成分明确的基础培养基（如Neurobasal, DMEM/F12）添加关键补充物，包括B27或N2添加剂、谷氨酰胺、胎牛血清（有时仅在接种初期使用）以及神经营养因子（如BDNF, GDNF, NGF）。

• 基质包被：培养器皿需预先包被促进神经元贴附和生长的基质，最常用的是多聚赖氨酸（Poly-L-Lysine, PLL）或层粘连蛋白（Laminin）。

• 维持与抑制：对于原代培养，常添加有丝分裂抑制剂（如阿糖胞苷 Cytosine Arabinoside, Ara-C）以抑制非神经元细胞（如胶质细胞）的过度增殖，获得高纯度的神经元网络。共培养体系则允许神经元与胶质细胞（特别是星形胶质细胞）相互作用以模拟更真实的微环境。

3. 主要应用

• 形态学研究：观察神经元极化、生长锥动态、树突棘形态变化，常用免疫细胞化学染色。

• 电生理研究：使用膜片钳技术（尤其是全细胞记录模式）在单个细胞水平研究离子通道特性、突触传递（记录mEPSC/mIPSC）、受体功能及细胞兴奋性。

• 生物化学与分子生物学研究：分析信号转导通路、蛋白质相互作用、基因表达调控及突触可塑性（如LTP/LTD的生化基础）。

• 神经毒理学与药理学：评估药物、毒素或潜在治疗化合物对神经元存活、形态和功能的影响。

• 疾病机制建模：利用原代培养特定疾病模型动物的神经元，或iPSC来源的患者神经元，研究神经系统疾病的细胞分子病理学。

4. 优点与局限性

• 优点：实验条件高度可控（如化学环境、细胞类型纯度）；易于进行显微操作、实时成像和高通量分析；避免了在体研究的复杂性和伦理限制；是进行机制性研究的强大工具。

• 局限性：缺乏完整的神经网络架构和体内系统性调节（如血液循环、免疫系统）；可能与体内神经元的成熟状态和功能特性存在差异；培养过程本身可能引入非生理性应激。

关键词（Keywords）

• 培养神经元 Cultured Neurons / Neuronal Cell Culture

• 原代神经元培养 Primary Neuronal Culture

• 海马体神经元 Hippocampal Neurons

• 诱导多能干细胞 Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs)

• 膜片钳技术 Patch-Clamp Technique

• 神经营养因子 Neurotrophic Factors

• 突触形成 Synaptogenesis

参考文献

1. Kaech, S., & Banker, G. (2006). Culturing hippocampal neurons. Nature Protocols, *1*(5), 2406–2415. （经典的原代海马神经元培养方案）

2. Bardy, C., et al. (2015). Neuronal medium that supports basic synaptic functions and activity of human neurons in vitro. Proceedings of the National Academy of Sciences, *112*(20), E2725–E2734.

3. Zhang, S. C. (2013). Neural subtype specification from human pluripotent stem cells. Cell Stem Cell, *13*(4), 385–388.

4. Banker, G. A., & Goslin, K. (Eds.). (1998). Culturing Nerve Cells (2nd ed.). MIT Press.（神经元培养领域的权威手册）

5. Dotti, C. G., Sullivan, C. A., & Banker, G. A. (1988). The establishment of polarity by hippocampal neurons in culture. The Journal of Neuroscience, *8*(4), 1454–1468. （经典研究，阐述体外神经元极化）

6. Beaudoin, G. M., et al. (2012). Culturing pyramidal neurons from the early postnatal mouse hippocampus and cortex. Nature Protocols, *7*(9), 1741–1754.