在一项新的研究中，斯坦福大学的研究人员开发了一种与一些神经疾病和精神疾病相关的大脑过程的研究方法。这是通过体外培养人类皮层器官(cortical organoids)并将它们移植到发育中的啮齿动物大脑中，观察它们随着时间的推移如何整合和发挥作用。2022年10月13日发表了相关研究结果Nature在期刊上，论文的标题是Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids”。

美国国立精神卫生研究所(NIMH)的David Panchision这项新研究代表了科学家在研究复杂人脑疾病的细胞和回路基础方面取得了重大进展，医生说。它允许类器官在更生物相关的环境中建立连接，并在培养皿中发挥作用。

斯坦福大学Sergiu Pasca医生和同事证实，人类干细胞培养的皮层器官可以移植并整合到发育中的大鼠大脑中，以研究某些发育和功能过程。他们的研究结果表明，移植的皮层器官可能为研究与疾病相关的过程提供了强有力的工具。

科学家有时使用人类皮层器官-人类干细胞的三维培养物来反映典型大脑中的一些发育过程——作为研究人类大脑某些方面如何发展和发挥作用的模型。然而，皮层器官缺乏典型的人脑连接，限制了它们在理解复杂大脑过程中的作用。人们一直试图通过将人类神经元移植到成年啮齿动物的大脑中来克服一些限制。虽然这些移植的神经元与啮齿动物的脑细胞相连，但由于成年大鼠大脑发育的限制，它们并没有完全整合在一起。

在这项新研究中，这些作者通过将完整的人类皮层器官移植到发育中的大鼠大脑中，促进了大脑器官的研究和应用。该技术构建了一个可以检查和操作的人类组织单元。他们使用Pasca实验室之前创建的方法是利用人类诱导性多能干细胞-成人皮肤细胞重编程后进入类似干细胞的未成熟状态-构建人类皮层器官。他们随后将构建的人类皮层器官植入大鼠初级体感皮层，即大脑中参与处理感觉的一部分。

这些作者没有在接受人类皮层器官移植的大鼠身上发现任何运动或记忆异常或大脑活动异常。大鼠大脑的血管成功地支持随着时间的推移植入的人类皮层器官的组织。

为了了解人类皮层器官能在多大程度上整合到大鼠的初级体感皮层，这些作者感染了皮层器官，作为脑细胞传播的功能连接指示器。将携带示踪性病毒的人类皮层器官移植到大鼠的初级体感皮层后，它们在腹基核等(ventrobasal nucleus)这种病毒检测到多个大脑区域，如体感皮层。此外，他们还观察到丘脑与移植区之间建立了新的联系。这些连接可以通过电刺激和刺激大鼠的胡须来激活，表明它们正在接受有意义的感官输入。此外，它们还能激活移植的人类皮层器官中的人类神经元，以调节大鼠的奖励。这些发现表明，移植的人类皮层器官与大鼠中特定的大脑通路相结合。

在结构和功能方面，经过七到八个月的生长，移植的人类皮层器官比体外细胞培养中维持的人类皮层器官更类似于人脑组织的神经元。移植的人类皮层器官反映了人类皮层神经元的结构和功能特征，这使得这些作者想知道他们是否可以使用移植的人类皮层器官来探索人类疾病过程的各个方面。

Pasca医生说：该平台的前景不仅在于确定哪些分子过程是人类神经元复杂成熟的基础，而且在于提供人类神经元的行为解释。

为了研究这一点，这些作者利用与自闭症和癫痫相关的三种罕见遗传疾病(称为提摩西综合征)的参与者和三种没有任何已知疾病的参与者的细胞建立人类皮层器官，并将其植入大鼠大脑。这两种类型的人类皮层器官都融入了大鼠的体感皮层，但来自提摩西综合征(Timothy syndrome)人类皮层器官表现出结构上的差异。在体外细胞培养过程中，由提摩西综合征患者的细胞中构建的人类皮层器官没有这些结构差异。

人类皮层类器官移植在发育中的大鼠皮层内。图片来自Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05277-w。

Pasca博士说：这些实验表明，这种新颖的方法可以捕捉到我们当前体外模型可以检测到的过程。这很重要，因为精神疾病的许多变化可能是电路水平的微妙差异。

早期的新研究，瑞士苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系Barbara Treutlein教授及其团队采采取了一种新的方法来研究人脑的发育：他们使用所谓的多能干细胞来培养具有复杂组织结构的三维脑器官。在不同的时间点，他们对人脑器官中的数千个细胞进行了详细的研究。

Treutlein该团队系统地确定了对大脑器官不同区域神经元发育有重大影响的基因开关。在CRISPR-Cas在9系统的帮助下，这些作者有选择地关闭了每个细胞中的一个基因，同时关闭了大约20个基因。这使他们能够发现自己的基因在大脑器官的发育中起着什么作用。

参考资料：

1. Omer Revah et al. Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05277-w.

2. Jonas Simon Fleck et al. Inferring and perturbing cell fate regulomes in human brain organoids. Nature, 2022, doi:10.1038/s41586-022-05279-8.