The 30 trillion cells that self-assemble into a human being originate from the pluripotent stem cells in the inner cell mass of a human blastocyst. The discovery of induced pluripotent stem cells (iPSCs) makes it possible to approximate various aspects of this natural developmental process artificially by generating materials that can be used in invasive mechanistic studies of virtually all human conditions. In Parkinson’s disease, instructions computed by the basal ganglia to control voluntary motor functions break down, leading to widespread rhythmic bursting activities in the basal ganglia and beyond. It is thought that these oscillatory neuronal activities, which disrupt aperiodic neurotransmission in a normal brain, may reduce information content in the instructions for motor control. Using midbrain neuronal cultures differentiated from iPSCs of Parkinson’s disease patients with parkin mutations, we find that parkin mutations cause oscillatory neuronal activities when dopamine D1-class receptors are activated. This system makes it possible to study the molecular basis of rhythmic bursting activities in Parkinson’s disease. Further development of stem cell models of Parkinson’s disease will enable better approximation of the situation in the brain of Parkinson’s disease patients. In this review, I will discuss what has been found in the past about the pathophysiology of motor dysfunction in Parkinson’s disease, especially oscillatory neuronal activities and how stem cell technologies may transform our abilities to understand the pathophysiology of Parkinson’s disease.

Impact statement

Research on the pathophysiology of Parkinson’s disease (PD) has generated effective therapies such as deep brain stimulation. A better understanding of PD pathophysiology calls for patient-specific materials amenable for invasive mechanistic studies. In this minireview, I discuss our recent work on oscillatory neuronal activities in midbrain neurons differentiated from induced pluripotent stem cells (iPSCs) of PD patients with parkin mutations. These patient-specific neurons enable a variety of studies previously not feasible in the human system. Further development in stem cell technologies may generate more realistic models for us to decipher PD pathophysiology. These new developments will transform research and development in Parkinson’s disease.

中文翻译：

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在患者特异性神经元中模拟帕金森病的病理生理学

自组装成人类的 30 万亿个细胞源自人类囊胚内细胞团中的多能干细胞。诱导多能干细胞 (iPSCs) 的发现使得通过生成可用于几乎所有人类条件的侵入性机械研究的材料，可以人工近似这一自然发育过程的各个方面。在帕金森病中，由基底神经节计算出的控制自主运动功能的指令发生故障，导致基底神经节及其他区域广泛的节律性爆发活动。人们认为，这些振荡神经元活动会破坏正常大脑中的非周期性神经传递，可能会减少运动控制指令中的信息内容。使用与帕金森病患者的 iPSC 分化的中脑神经元培养物，当多巴胺 D1 类受体被激活时，帕金森突变会引起振荡神经元活动。该系统使研究帕金森病节律性爆发活动的分子基础成为可能。帕金森病干细胞模型的进一步发展将能够更好地近似帕金森病患者的大脑情况。在这篇综述中，我将讨论过去关于帕金森病运动功能障碍的病理生理学的发现，尤其是振荡神经元活动，以及干细胞技术如何改变我们理解帕金森病病理生理学的能力。我们发现当多巴胺 D1 类受体被激活时，parkin 突变会引起振荡神经元活动。该系统使研究帕金森病节律性爆发活动的分子基础成为可能。帕金森病干细胞模型的进一步发展将能够更好地近似帕金森病患者的大脑情况。在这篇综述中，我将讨论过去关于帕金森病运动功能障碍的病理生理学的发现，尤其是振荡神经元活动，以及干细胞技术如何改变我们理解帕金森病病理生理学的能力。我们发现当多巴胺 D1 类受体被激活时，parkin 突变会引起振荡神经元活动。该系统使研究帕金森病节律性爆发活动的分子基础成为可能。帕金森病干细胞模型的进一步发展将能够更好地近似帕金森病患者的大脑情况。在这篇综述中，我将讨论过去关于帕金森病运动功能障碍的病理生理学的发现，特别是振荡神经元活动，以及干细胞技术如何改变我们理解帕金森病病理生理学的能力。该系统使研究帕金森病节律性爆发活动的分子基础成为可能。帕金森病干细胞模型的进一步发展将能够更好地近似帕金森病患者的大脑情况。在这篇综述中，我将讨论过去关于帕金森病运动功能障碍的病理生理学的发现，特别是振荡神经元活动，以及干细胞技术如何改变我们理解帕金森病病理生理学的能力。该系统使研究帕金森病节律性爆发活动的分子基础成为可能。帕金森病干细胞模型的进一步发展将能够更好地近似帕金森病患者的大脑情况。在这篇综述中，我将讨论过去关于帕金森病运动功能障碍的病理生理学的发现，特别是振荡神经元活动，以及干细胞技术如何改变我们理解帕金森病病理生理学的能力。

影响陈述

对帕金森病 (PD) 的病理生理学研究产生了有效的治疗方法，例如深部脑刺激。更好地理解 PD 病理生理学需要适合于侵入性机械研究的患者特异性材料。在这篇小综述中，我讨论了我们最近在中脑神经元中的振荡神经元活动的研究，这些神经元从具有帕金突变的 PD 患者的诱导多能干细胞 (iPSC) 分化而来。这些患者特异性神经元能够进行以前在人体系统中不可行的各种研究。干细胞技术的进一步发展可能会为我们破译 PD 病理生理学产生更现实的模型。这些新进展将改变帕金森病的研究和开发。