剑桥大学实验室培养皿里类脑器官使离体的肌肉抽动……近两年，类脑研究的高速发展！
在剑桥大学实验室的培养皿里，漂浮着一块单独分离出来的肌肉正在收缩。一般情况下这不是新闻。但是在这一次的情况不同，手术切除的肌肉是由完全生长在实验室的一片脑组织控制的。
听起来很吓人，但这个系统并不代表缸中的意识。相反，这是一种叫做脑类器官的技术向前迈出的一大步——培养的脑组织与发育中的人类胎儿的脑组织非常相似。
科学家们长期以来一直在努力模拟胎儿在子宫内发育时复杂的过程。新生脑细胞在遗传和化学因素的指导下，自动迁移到最终目的地，形成独特的功能，并在此过程中彼此之间建立联系。
这是一个极其精细复杂的过程，且没有容错的余地。定位、迁移或脑回路的形成的任何错误都可能引发严重的发育障碍，如自闭症、精神分裂症和癫痫等。
图片来源：Madeline Lancaster/MRC-LMB
2019年，剑桥大学的 Madeleine Lancaster 博士领导的一个团队对人类大脑发育的第一步进行了破解，且无需依赖在伦理上有争议的流产胎儿。他们的系统被称为 ALI-CO，由长期存活的、实验室培养的脑组织切片组成，这些切片漂浮在一个温暖的、充满营养液的表面，这些营养液可以让切片成熟为"微型脑"。
当迷你脑与分离自胚胎小鼠的脊髓及其支持肌肉一起培养时，它就会自动伸出突触进行连接。这些人-鼠嵌合突触不仅用于解剖研究，当刺激时，类似高速公路的神经连接束会反复产生"电爆发"，使肌肉变成像僵尸跳舞一样动起来。
诱发肌肉收缩的录像。大脑类器官定期受到刺激，向脊髓发送信号，将信息传递给肌肉以使其收缩。
如果你认为"科学家们只是像科学怪人弗兰肯斯坦一样"，那这个就不是该研究重点了。Lancaster 说："很明显，我们不仅仅是想创造一些有趣的东西。" 作者写道，该系统可以推进完整回路上神经连通性的研究，包括输入和输出。最终可能会启发我们，神经回路和信息处理是如何在我们发育中的大脑中逐渐出现的，这个过程有时是如何出错的，以及如何修复它——远在我们出生之前。
迷你大脑革命
ALI-CO 来自于一系列完全奇异的实验室创造，称为脑类器官。
早在2014年，Lancaster 就在实验室里开发了一种培养系统，可以让她从人体皮肤样本中培养出活的脑组织。这些奇形怪状的细胞块，在旋转的生物反应器中生长，最终发展成苍白的豌豆大小的块状，与9个星期大的胎儿的大脑非常相似。在显微镜下，它们的内部分离成显著的脑区，如海马体(记忆中枢)和皮层的层饼结构。
左图：用于脑类器官生长的生物反应器系统。右图：一个特写镜头显示生物反应器内的浮动类器官。图片来源：IMBA / Magdalena Renner
HumanNews：Miniature Human Brains Grow in a Lab
视频来源：https://youtu.be/Am-C82H7fNw
脑类器官成为当下研究热点。因为它们的起源是人类，并且呈现胎儿正常发育的轨迹，所以是研究我们的大脑在早期发育过程中如何连接的有价值的模型。更妙的是，与实际的大脑不同，科学家们可以修改他们的基因，使迷你大脑对研究大脑紊乱具有极高的价值。
迄今为止，微型大脑已经帮助研究寨卡病毒引发的小头畸形2、神经发育障碍和致命的脑癌等疾病。他们甚至可能解答人类智力的终极奥秘：为什么我们的大脑特别特殊？
然而，尽管有光明的未来，微型大脑却有一颗“黑暗的心”。它们长得越大，长得越长，氧气和营养物质就越难渗入它们的内核。在不到一年的时间里，如果没有有效的血液供应，这些类器官就会从内部开始腐烂。有一个方法可能可以解决这个问题——将它们移植到小鼠的大脑中，让动物的血液供应给人造脑组织。但是也有不好的一面，这一过程使得追踪微型大脑的发育变得困难到不可能，从而破坏了它们最初的目的。
迷你大脑，遇见 ALI-CO
为了克服这些限制，Lancaster 的团队采取了一个极端的方法：把它们切碎。
这一举措并非没有先例。此前，科学家们已将胎儿脑组织切片，并将其保存在营养液中，以供进一步研究。
参照之前的方法，Lancaster 的团队将成熟的小型大脑——大约60天大——切成1/100英寸厚的小块。让块状脑进一步生长直到脑类器官再建立起组织，但在腐烂开始之前，这是更好地保存它们内部结构的关键。
然后将切片置于充满氧气泡泡和温暖的营养液的培养皿中。为了确保最佳的发育，研究小组让这些薄片漂浮在液体的表面，就像树叶漂浮在湖面上一样。研究小组解释说，将切片保持在空气-液体界面（ALI），可以让细胞在体内健康地发育长达一年之久，比之前将脑瘤完全培养到体外的尝试要长得多。
鲜活的脑块
一些快速的测试证实了实验室培养的大脑是有完全有活力的。尽管被切成小块了，但切片中的神经元进一步成熟为自发形成连接的信息处理单元——有的连接在切片中，有的向外延伸到空隙中。
与同龄的全脑相比，这些脑块是比较初级的，在一岁的时候，它们的神经元和其他脑细胞看起来极其健康。ALI-CO 中死细胞也较少，这对切片的总体健康至关重要。
活神经元的表现和预期的一样：它们自发地产生电流，并且在被团队人工刺激时，它们会以类似像他们的天然大脑那样的方式被激发。
ALI-CO 也因其多样性而备受关注。利用一种非常流行的叫做RNA测序的技术，研究小组对 ALI-CO 中的细胞进行了分析，发现几乎所有细胞，常常在人脑皮质中观察到的细胞——每个细胞都依类型以特定的模式与其他细胞连接。
由于它们在培养皿中自由流动的特点，研究小组能够在显微镜下追踪 ALI-CO 内神经分支的发育。类似于发育中的大脑，藤状结构成长为连接通道——信息高速公路，对大脑区域的快速数据传输至关重要。
在最后的功能测试中，研究小组将类脑与小鼠脊髓一起培养。从小鼠胚胎解剖获得的组织，有一些与脊髓相连的肌肉，以实现运动和支持功能。在2-3周内，类脑向脊髓伸出卷须并建立连接。Lancaster 说："我们喜欢把他们看作是行动中的迷你脑袋。"
在显微镜下观察，分离的肌肉开始收缩。尽管培养的肌肉组织有时会自动收缩，但这些收缩更强、更协调。在漂浮的小脑块上轻敲几下，就足以使肌肉产生相应的收缩——电流越强，收缩就越厉害。
实验室培养的人-小鼠神经回路的行为与正常的人肌肉收缩惊人地相似：尽管指令是由人工培养的人脑块发出的，但小鼠肌肉以正确的强度按时移动。
展望未来，研究小组希望 ALI-CO 能进一步告诉我们大脑是如何发育的。"这种方法很可能是一个有用的新工具。"他们说，因为它设置起来有多么容易，模仿人脑的连通性有多么好——不管是正常起作用时，还是因错误不工作。
作者总结说："我们希望，通过更真实地模拟人脑发育过程中的特定特征，有一天我们将更接近于理解自闭症和精神分裂症等疾病"。
参考文献：
【1】Giandomenico S L, Mierau S B, Gibbons G M, et al. Cerebral organoids at the air-liquid interface generate diverse nerve tracts with functional output[J]. BioRxiv, 2018: 353151.
【2】Garcez, P. P , Loiola, et al. Zika virus impairs growth in human neurospheres and brain organoids[J]. Science, 2016, 352(6287):816-818.
【3】B.H. Gähwiler, Capogna M , Debanne D , et al. Organotypic slice cultures: a technique has come of age[J]. Trends in Neurosciences, 1997, 20(10):471-477.
作者信息
作者：Shelly Fan
编译：ben（brainnews创作团队成员）
校审/排版：Simon （brainnews编辑部）
近两年，类脑研究在飞速发展！
01
2021年8月，来自美国的研究人员在《Advanced Science》杂志上发表题为“Modeling Sporadic Alzheimer’s Disease in Human Brain Organoids under Serum Exposure”的文章，报道了利用hiPSCs（人类诱导多能干细胞）衍生的大脑类器官，模拟体外sAD（散发性阿尔茨海默病）模型，在血清暴露条件下，该模型可以表征AD的多种病理特征，为AD机制研究和治疗药物的开发提供了新的平台。
阅读链接：Adv Sci：大脑类器官用于散发性阿尔茨海默病研究
02
2021年6月，研究人员利用人诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cells, hiPSC）产生可再生的类器官，这些类器官再现了包括早期皮质形成在内的背侧前脑发育。本研究系统地将类器官样本暴露于化学定义的环境模拟化合物中，以观察人类组织中各种麻醉药品和神经精神相关风险因素对发育影响。这项研究为人类3D生物制剂在受控实验室条件下用于解决神经精神疾病风险因素的非基因组效应提供了资源和基础。
阅读链接：Nature子刊：系统研究麻醉剂和神经精神风险因素对神经发育的影响----利用脑类器官
03
2021年8月19日，埃默里大学（Emory University）科学家发现，在探索脆性X综合症的分子和药理方面，使用人类细胞的“大脑类器官”模型比使用小鼠模型与人类的接近度更匹配。这为测试药物效果和靶点发现带来了突破！
研究结果发表于《Nature Neuroscience》期刊上，研究论文名为“A human forebrain organoid model of fragile X syndrome exhibits altered neurogenesis and highlights new treatment strategies”。研究人员认为，于药物研发的小范围试验模型（"disease in a dish" model）阶段使用人脑类器官，可能是寻找新的潜在治疗方法并对其进行评估的更好方法。
阅读链接：Nat Neurosci：前脑类器官在脆性X综合症药物开发上或大有可为！
04
2021年8月17日，发表在细胞出版社Cell Press旗下期刊Cell Stem Cell上的一项研究显示，人类诱导多能干细胞（iPSCs）可以用来生成包含视杯（眼睛中的一种结构）的大脑类器官。该类器官能自发地从类脑区前部发育出双侧对称视杯，显示出iPSCs在高度复杂的生物学过程中固有的自我模式形成能力。
利用来自4名捐赠者的16个独立批次iPSCs，研究人员生成了314个大脑类器官，其中72%形成了视杯，这表明该方法是可重复的。这些结构包含不同类型的视网膜细胞，它们形成了能对光线作出反应的电活性神经元网络。含有视杯的大脑类器官也包含晶状体和角膜组织，并且视网膜与大脑相应区域相连。
阅读链接：Cell Stem Cell：首次！大脑类器官发育出能对光线有反应的视杯
05
2021年6月，南京医科大学刘妍/林明焰/郭兴团队在the Journal of Clinical Investigation杂志上发表了题为DSCAM/PAK1 pathway suppression reverses neurogenesis deficits in iPSC-derived cerebral organoids from patients with Down syndrome的研究论文，这项研究报道了唐氏综合征患者来源的大脑类器官存在皮层祖细胞增殖能力降低、皮层神经元神经发生存在缺陷，而通过干预DSCAM基因表达及抑制其下游分子PAK1可挽救唐氏综合征皮层发育缺陷。
阅读链接：JCI封面：人脑类器官中挽救唐氏综合征皮层发育障碍的新机制
06
阅读链接：Nat Neurosci：“迷你大脑”可体外生长，与人类大脑发育极为相似
07
2020年11月20日，发表在Science杂志的一篇研究报道一项高通量筛选技术被用来在3D细胞培养中筛选与神经发育性疾病有关的基因，该技术揭示了一种罕见的被称为小头畸形症可能涉及的发病机制。与自闭症、精神分裂症和癫痫症等神经发育性障碍有关的这些基因，都可以通过该技术筛选出来。
阅读链接：Science：新突破！3D类脑组织中进行基因编辑和谱系追踪的方法——CRISPR-LICHT
08
2020年10月13日，南京医科大学药学院刘妍课题组与上海科技大学生命科学与技术学院何水金课题组在Molecular Psychiatry合作发表论文：Human cerebral organoids establish subcortical projections in the mouse brain after transplantation，较为详细地介绍了适用于深部脑区移植的人脑类器官体外构建，并将其移植到免疫缺陷小鼠脑区（前额叶皮层）后可建立皮层下跨脑区投射，移植后的人脑类器官与宿主神经环路发生整合并促进免疫缺陷小鼠行为学改善。该研究的结果阐释了人脑类器官深部脑区移植能够存活并具有成熟的电生理特性，在宿主脑内发生长距离投射并能够整合进宿主神经环路、促进小鼠行为学改善。该研究，为未来移植人脑类器官治疗神经系统疾病提供了实验依据。
阅读链接：Mol Psychiatry：布局未来！人脑类器官移植后大脑会发生什么？
09
2020年8月8日，湘潭大学化学学院曹毅博士课题组在Science of the Total Environment ，利用fMOST技术实现了对一种新型人3D类脑中的特定蛋白空间分布的成像。结果表明，虽然多壁碳纳米管仅仅直接接触类脑的外层，但nNOS的荧光信号不仅仅在类脑的外层有明显的下调，在里层也有明显的下调，这可能是因为一氧化氮是一种小分子的信号分子，其信号可以实现在类脑不同神经皮层的传递。与传统的毒理学分析技术相结合，fMOST可以用于进一步确认环境污染物的刺激对人神经系统的影响，并提供传统的分析技术所无法提供的信息。
阅读链接：fMOST技术实现了新型人3D类脑中的特定蛋白空间分布的成像
10
阅读链接：长文解析：脑类器官又一次的重大突破，首次出现复杂微血管结构和血脑屏障类似结构！
Brainnews编辑部整理