Nature：哈佛/斯坦福在“迷你腦”領域獲重大突破

藥明康得/報導

過去幾年中，通過幹細胞三維培養物來生成“迷你人腦”組織的實驗方法已經允許科學家們對大腦發育這一生命奧秘進一步深度分析：瞭解進化過程中其發育如何發生變化，

及其研究大腦是如何受疾病影響的。然而，一大批問題目前尚不明了，諸如這些“腦體（brain organoids）”組織中會準確出現哪些細胞類型？“腦體”之間的個體化差異有多大？以及成熟神經元網路是否能夠在這些組織中形成和起作用？使用精巧複雜的技術組合，近期發表在《自然》雜誌上的兩篇論文描述了解決這些問題的關鍵性步驟。

大體上，通過幹細胞來長成“腦體”組織有兩種策略：在第一個策略中，

通過引導多能幹細胞（pluripotent stem cells，PSCs可以在體內產生任何細胞類型）形成被稱為神經上皮的幹細胞層，其可以產生神經元。神經上皮進一步發育可導致多個腦區的產生。這種自我構建的策略提供針對瞭解大腦區域如何自我組織交互的潛力。然而，“腦體”組織個體之間以及分批生長的批次之間通常存在較大差異。

另外一種可替代化的策略則是使用信號分子來控制神經上皮的模式形成，例如前腦或下丘腦某一特定區域的形成。這種技術可能會增加實驗的可重複性，但是研究人員尚未完全發現和瞭解被用來指導控制每個大腦區域部分的細胞信號通路。 此外，科學家們也不清楚某些大腦區域是否可以在沒有相鄰結構的情況下形成。

第一篇論文中，來自哈佛大學（Harvard University）的研究人員詳細研究了成熟“腦體”組織的組成和功能。他們修改了一個“自我構建”的試驗方案，以減少由於缺氧而引起的細胞死亡。使用該這種修飾後方法生長的“腦體”逐漸成熟9個月以上，於是更加有可能研究在相當於人類妊娠時間階段的神經元發育過程。

研究人員分析了來自3或6個月齡“腦體”組織的8萬多個細胞的基因表達譜，這是迄今為止針對“腦體”最全面的單細胞分析研究。這些資料顯示來自不同大腦區域具有不同的細胞群體。研究人員著眼于視網膜細胞類型，他們發現該體外組織中幾乎包含人體內組織中被發現的每一種細胞類型；他們還發現神經元隨著時間推移而成熟，

開始表達介導與其他神經元突觸連接的基因。那麼，這些神經元成熟到底有多成熟呢？組織連續切片的電子顯微鏡圖像顯示，8個月大的“腦體”神經突觸密度大概相當於胚胎期的人腦皮層。單個神經元突起（樹突）經常產生多個突觸，表明在這個階段已經形成了複雜的神經網路。最後，研究作者表明，神經元亞群在暴露於光照後降低了放電速率。這一結果表明：“腦體”含有感光視網膜神經元（感光細胞）；“腦體”可用于研究生理刺激是如何調節神經元網路。

值得注意的是，哈佛大學Quadrato博士及其同事發現組織間批次之間的細胞組成差異很大。這突出了需要控制“腦體”組織工程化，以便在研究疾病機制時提高實驗可重複性。在第二項研究中，來自斯坦福大學醫學院（Stanford University School of Medicine）的研究人員向這個方向邁進了一大步。

研究作者們使用“受控構建”化方案來產生一種球體的三維結構，其類似於兩個前腦區域：腹側前腦（ventral forebrain），其產生被稱為中間神經元的抑制性神經元；和包含興奮性神經元的背側大腦（dorsal pallium）。單細胞轉錄組分析顯示這些球狀細胞與人胚胎期大腦相對應的區域非常相似。

接下來，斯坦福大學的Birey博士和同事將不同類型的腦球體放在彼此旁邊，並允許它們融合幾天後以形成前腦樣（ forebrain-like ）組織。來自腹側球體的中間神經元遷移到背部區域，這一過程非常類似於這些中間神經元在體內所採取的遷移途徑。遷移後，中間神經元趨於成熟。作者們發現中間神經元遷移後，融合組織中的神經元發生了更強烈的神經電生理活動。

研究人員還使用活細胞成像來跟蹤單個中間神經元，將其行為與人和小鼠腦中的等效細胞行為進行比較。某些人類特定的細胞遷移活動在融合的腦球體中被準確重現，呈現出研究介導遷移運動基因功能的可能性。事實上，接下來Birey博士等使用了他們的腦球體系統來研究神經發育障礙Timothy綜合征。這一疾病與調節中間神經元遷移的蛋白質突變密切相關。首先，作者通過誘導來自Timothy綜合征患者成熟分化細胞來產生多能PSCs，然後他們在此基礎上產生融合的前腦組織。與正常對照組相比較，患者來源的中間神經元展示了較低效率的細胞遷移。

這兩項研究都揭示了高通量單細胞轉錄組學技術來量化腦組織細胞型多樣性的能力。這些方法對於研究疾病期間細胞組成和基因表達網路如何失去調控具有價值。許多工作表明，從誘導的PSCs工程改造的腦組織可以準確地類比神經元祖細胞的行為。這兩項新的研究有利展示了通過改善腦組織技術來研究大腦區域之間的相互作用，以及成熟神經元在協調網路中的作用方式。我們非常期待從這些“迷你腦”中探索海量科學資訊！

參考資料：

[1] ‘Mini-me’ brains-in-a-dish mimic disease, raise hope for eventual therapies

[2] Human development: Advances in mini-brain technology

[3] Cell diversity and network dynamics in photosensitive human brain organoids

[4] Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids

這一結果表明：“腦體”含有感光視網膜神經元（感光細胞）；“腦體”可用于研究生理刺激是如何調節神經元網路。

值得注意的是，哈佛大學Quadrato博士及其同事發現組織間批次之間的細胞組成差異很大。這突出了需要控制“腦體”組織工程化，以便在研究疾病機制時提高實驗可重複性。在第二項研究中，來自斯坦福大學醫學院（Stanford University School of Medicine）的研究人員向這個方向邁進了一大步。

研究作者們使用“受控構建”化方案來產生一種球體的三維結構，其類似於兩個前腦區域：腹側前腦（ventral forebrain），其產生被稱為中間神經元的抑制性神經元；和包含興奮性神經元的背側大腦（dorsal pallium）。單細胞轉錄組分析顯示這些球狀細胞與人胚胎期大腦相對應的區域非常相似。

接下來，斯坦福大學的Birey博士和同事將不同類型的腦球體放在彼此旁邊，並允許它們融合幾天後以形成前腦樣（ forebrain-like ）組織。來自腹側球體的中間神經元遷移到背部區域，這一過程非常類似於這些中間神經元在體內所採取的遷移途徑。遷移後，中間神經元趨於成熟。作者們發現中間神經元遷移後，融合組織中的神經元發生了更強烈的神經電生理活動。

研究人員還使用活細胞成像來跟蹤單個中間神經元，將其行為與人和小鼠腦中的等效細胞行為進行比較。某些人類特定的細胞遷移活動在融合的腦球體中被準確重現，呈現出研究介導遷移運動基因功能的可能性。事實上，接下來Birey博士等使用了他們的腦球體系統來研究神經發育障礙Timothy綜合征。這一疾病與調節中間神經元遷移的蛋白質突變密切相關。首先，作者通過誘導來自Timothy綜合征患者成熟分化細胞來產生多能PSCs，然後他們在此基礎上產生融合的前腦組織。與正常對照組相比較，患者來源的中間神經元展示了較低效率的細胞遷移。

這兩項研究都揭示了高通量單細胞轉錄組學技術來量化腦組織細胞型多樣性的能力。這些方法對於研究疾病期間細胞組成和基因表達網路如何失去調控具有價值。許多工作表明，從誘導的PSCs工程改造的腦組織可以準確地類比神經元祖細胞的行為。這兩項新的研究有利展示了通過改善腦組織技術來研究大腦區域之間的相互作用，以及成熟神經元在協調網路中的作用方式。我們非常期待從這些“迷你腦”中探索海量科學資訊！

參考資料：

[1] ‘Mini-me’ brains-in-a-dish mimic disease, raise hope for eventual therapies

[2] Human development: Advances in mini-brain technology

[3] Cell diversity and network dynamics in photosensitive human brain organoids

[4] Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids