原創(chuàng) Allison Whitten 神經(jīng)現(xiàn)實

要想觀察人類神經(jīng)元的發(fā)育、連接及相互作用的過程，我們?nèi)悦媾R許多現(xiàn)實的、倫理上的難題，而科學(xué)家們對人腦內(nèi)部運轉(zhuǎn)方式的認(rèn)識長期以來都受困于此。但最近，于《自然》發(fā)表的一項新研究中，由塞爾久·帕斯卡（Sergiu Pa?ca）帶領(lǐng)的一眾斯坦福大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家[1]，報告了他們發(fā)現(xiàn)的一種研究人類神經(jīng)元的新方法——在大鼠大腦還沒有完全發(fā)育成熟時，將人類類腦組織移植到這些剛出生幾天的大鼠中。研究者發(fā)現(xiàn)，人類的神經(jīng)元及其他腦細(xì)胞能夠正常發(fā)育并與大鼠的大腦融合，最終成為功能性神經(jīng)環(huán)路的一部分，并能參與感覺處理與一些行為的控制。

論文題目：

Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids

DOI：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05277-w

有了這項技術(shù)，科學(xué)家們就能為一系列的神經(jīng)發(fā)育障礙（包括某些形式的孤獨癥譜系障礙）建立新的活體模型了。對神經(jīng)科學(xué)實驗室中進行的研究來說，這些模型就和現(xiàn)有的動物模型一樣實用，但由于這些新模型在功能性神經(jīng)環(huán)路中包含了真正的人類細(xì)胞，相比之下它們是研究人類疾病更好的替代。一些現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)工具因為侵入性不適用于真正的人腦，不過現(xiàn)在，這種新模型給了它們用武之地。

英國劍橋分子生物學(xué)實驗室（MRC Laboratory of Molecular Biology）的神經(jīng)科學(xué)家瑪?shù)铝铡ぬm開斯特（Madeline Lancaster）雖沒有參與該研究[2]，卻說道：“這個方法對該領(lǐng)域來說是向前邁出的一大步，它提供了一種理解神經(jīng)元功能障礙的新途徑?！?/p>

這項工作也開啟了類腦器官使用的新篇章。近15年前，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)人類干細(xì)胞能夠自組織，并且形成囊括不同細(xì)胞種類、類似腦組織的小球。之后，這些類器官便為研究腦細(xì)胞活動打開了新窗口，但我們從這個窗口中看到的景象十分有限。雖然培養(yǎng)皿中的神經(jīng)元能夠和彼此連接并通過電信號交流，它們卻不能形成真正的功能性神經(jīng)環(huán)路，也不能像在它們自然情況下的棲息地——大腦中那樣得到充分發(fā)育或?qū)崿F(xiàn)計算水平上的超凡能力。

實驗室大鼠大腦的橫截面圖中，移植到其中的人類類腦器官（左側(cè)亮區(qū)）得以大規(guī)模生長。新研究顯示，人類組織不僅可以在其中生長，還能與大鼠大腦的神經(jīng)元形成真正的連接。

—

斯坦福大學(xué)帕斯卡實驗室

多年前，一些研究團隊的創(chuàng)舉證明了人類大腦類器官可以移植到成年大鼠的大腦中并成功存活[3]。但上述的新研究第一次表明，正在發(fā)育的新生大鼠大腦能夠接受人類的神經(jīng)元并任其發(fā)育成熟，還能將這些人類神經(jīng)元整合進能夠驅(qū)動大鼠行為的局部神經(jīng)環(huán)路。

帕斯卡指出，考慮到人和大鼠的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的方式及時機之間存在巨大的差異，“我們有成千上萬個理由認(rèn)為這項工作不會成功?！钡珜嶋H上它成功了，人類細(xì)胞最終接收到了和其他細(xì)胞做出關(guān)鍵連接所需的指示信號。

南加州大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家喬吉婭·瓜德拉托（Giorgia Quadrato）說[4]：“這是一項十分有必要且完成得非常漂亮的研究，它帶領(lǐng)整個領(lǐng)域駛向正確的方向——我們尋找的方法要能提高生理上（和真正人腦的）關(guān)聯(lián)性，來讓人類類腦器官模擬人類大腦發(fā)育后期出現(xiàn)的狀況?！?/p>

理解神經(jīng)元中偏離正軌、導(dǎo)致腦部疾病的細(xì)胞及分子過程，是帕斯卡一直以來的動力來源[5]。眾多精神及神經(jīng)障礙都始于神經(jīng)發(fā)育的過程（雖然很多癥狀在多年以后才會顯現(xiàn)），因此，填補我們這部分知識空白的最好方式，就是切實地觀察神經(jīng)元如何發(fā)育。這就是為什么自從帕斯卡十三年前開始研究神經(jīng)元起，他就一直致力于將人類大腦類器官移植到新生大鼠中。

在帕斯卡和他在斯坦福大學(xué)的同事菲麗希緹·戈爾（Felicity Gore）[6]、凱文·凱利（Kevin Kelly）[7]和奧馬爾·雷瓦（Omer Revah，現(xiàn)就職于希伯來大學(xué)）的帶領(lǐng)下，研究團隊在幼年大鼠的神經(jīng)環(huán)路完全形成之前，將人類大腦皮層類器官插入到幼年大鼠的軀體感覺皮層中。這樣，人類神經(jīng)元就能與這一處理外界傳入的感覺信息的關(guān)鍵腦區(qū)形成長期連接。至于之后類器官能否與大鼠發(fā)育中的大腦的其他部分聲氣相投，研究人員只能等待。

視頻中，閃光代表鈣離子在移植的類腦器官里人類神經(jīng)元中的流動。這些人類神經(jīng)元對所處的大鼠大腦發(fā)來的信號作出自發(fā)的放電反應(yīng)。

—

斯坦福大學(xué)帕斯卡實驗室

帕斯卡說：“我們發(fā)現(xiàn)，如果我們在這么早的階段就把類腦放進大鼠大腦里……它在四或五個月里就能長到原來的九倍大。”然后這塊類人腦組織的區(qū)域就占據(jù)了大鼠大腦一個半球的三分之一。

但是，即便人類神經(jīng)元依然集體駐扎在當(dāng)初研究人員通過手術(shù)將它們放置的區(qū)域，研究人員卻表示，這些神經(jīng)元后來變成了鼠腦神經(jīng)環(huán)路活躍的一部分，而這些環(huán)路深深交織在鼠腦內(nèi)部。大部分移植的人類神經(jīng)元開始對大鼠胡須傳來的觸覺作出反應(yīng)：當(dāng)研究人員向胡須噴氣，那些人類神經(jīng)元的電活動就變得更加活躍。

更令人震驚的是，神經(jīng)信號還能以相反方向流動并影響大鼠行為。研究人員（通過一種名為光遺傳的技術(shù)）用藍(lán)光刺激人類神經(jīng)元后，觸發(fā)了大鼠的條件反射，這讓他們更頻繁地舔舐水瓶來尋求獎勵。

帕斯卡說：“這意味著我們真的把人類神經(jīng)元融合進大鼠的神經(jīng)環(huán)路了。這不單是環(huán)路的改變……而是說，人類細(xì)胞現(xiàn)在是環(huán)路的一部分了。”

不過，移植的細(xì)胞在它們的新家里并沒有完全模擬人類腦組織。例如，它們沒有像在人的大腦皮層里時那樣自動形成多層結(jié)構(gòu)。（它們也沒有聽從周圍大鼠神經(jīng)元的指令、獲得大鼠軀體感覺皮層的水桶狀細(xì)胞簇的特征。）但是移植的神經(jīng)元保留了很多真正人類神經(jīng)元的電學(xué)及結(jié)構(gòu)特征。

塞爾久·帕斯卡，斯坦福大學(xué)精神病學(xué)及行為科學(xué)教授、吳蔡神經(jīng)科學(xué)研究院（Wu Tsai Neurosciences Institute）斯坦福腦器官發(fā)生項目（Stanford Brain Organogenesis Program）負(fù)責(zé)人。

—

瑞秋·布加爾斯基（Rachel Bujalski）為Quanta Magazine供圖

對于細(xì)胞來說，能真正處在大腦（而不是培養(yǎng)皿）里的一個主要優(yōu)勢是，它們能成功與大鼠大腦的血管系統(tǒng)相連，從而讓血管散布整個類腦組織并傳輸氧氣和激素——移植的細(xì)胞正是利用了這點好處。帕斯卡解釋道，血液供給的缺乏被認(rèn)為是培養(yǎng)皿中的人類神經(jīng)元往往不能完全發(fā)育成熟的主要原因；當(dāng)然，神經(jīng)發(fā)育的塑造或許也需要神經(jīng)信號的輸入，而這在培養(yǎng)皿中同樣難以實現(xiàn)。移植的神經(jīng)元和在培養(yǎng)皿中生長的人類神經(jīng)元相比，前者比后者大出六倍——前者的尺寸和電活動情況都更接近自然狀況下人類腦組織里的神經(jīng)元。

帕斯卡說：“活體環(huán)境中的一些因素，也就是細(xì)胞在大腦中接收到的養(yǎng)分和電信號將它們推向了更成熟的水平?！?/p>

正因為人類神經(jīng)元在大鼠大腦中能夠達(dá)到如此成熟的狀態(tài)，在用蒂莫西綜合癥（Timothy Syndrome，一種遺傳病，也叫長QT綜合癥，常伴隨孤獨癥及癲癇）患者的干細(xì)胞培養(yǎng)的類腦器官中，帕斯卡和同事才能看到一些不尋常的神經(jīng)發(fā)育上的不同。在大鼠大腦中，這些移植的、攜帶蒂莫西綜合癥基因的人類神經(jīng)元長出了異常的樹突分支，從而與其他細(xì)胞形成了不尋常的連接。關(guān)鍵是，一些像這樣的非典型發(fā)育只能在大鼠皮層里的人類神經(jīng)元里觀測到，培養(yǎng)皿中的類器官神經(jīng)元則沒有這種跡象。

帕斯卡強調(diào)，一直以來，我們都看不到在這些逐漸成熟的神經(jīng)元中發(fā)生的細(xì)微改變，而這些改變卻能影響大腦功能并導(dǎo)致神經(jīng)及精神障礙。

加州大學(xué)洛杉磯分校的神經(jīng)科學(xué)家、干細(xì)胞生物學(xué)家本尼特·諾維奇（Bennett Novitch）說道[8]：“這些結(jié)果非常令人激動。”他提示道，對于各種神經(jīng)疾病的研究和藥物測試來說，神經(jīng)組織的體外研究仍將會是更快且更實用的方法，但是這篇新發(fā)表的論文“闡釋了為什么活體環(huán)境仍然是……探究人類神經(jīng)元成熟的特征的最佳條件。”

大鼠大腦中移植的神經(jīng)元（右側(cè)）的尺寸和復(fù)雜性是在培養(yǎng)皿中的類腦器官里生長的人類神經(jīng)元（左上角）的數(shù)倍。

—

斯坦福大學(xué)帕斯卡實驗室

帕斯卡希望這一突破最終能讓我們向治療精神障礙及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的未來更近一步。該領(lǐng)域的其他學(xué)者也對此抱有很大希望。西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院（Icahn School of Medicine at Mount Sinai）的神經(jīng)科學(xué)家喬爾·布蘭查德（Joel Blanchard）[9]說：“如果類器官移植的策略能真正模仿疾病的特征，它將大大加速我們通往治愈這些疾病的進程?！?/p>

這項研究的性質(zhì)也激起了關(guān)于實驗動物福利及善待的一些問題。因此，帕斯卡和同事從一開始就與倫理學(xué)家開展了積極的討論。在所有包含動物的實驗中，都有一條法律規(guī)定大鼠必須由實驗室技術(shù)員嚴(yán)格監(jiān)測，并且技術(shù)員有權(quán)在任何時候停止實驗。不過，在該研究中，移植了人類類腦器官的大鼠并沒有在行為及認(rèn)知測試環(huán)節(jié)展現(xiàn)出任何異常。

哈佛醫(yī)學(xué)院生物倫理學(xué)中心（Center for Bioethics）的生物倫理學(xué)家尹素秀（Insoo Hyun）說[10]，他對當(dāng)前的實驗沒有任何倫理上的顧慮。國際干細(xì)胞研究協(xié)會（International Society for Stem Cell Research）建立了指導(dǎo)方針來監(jiān)管人類類腦器官及人類細(xì)胞在動物中的移植，而帕斯卡的團隊遵循了所有規(guī)定。尹素秀說：“對我來說，真正的問題是要意識到‘該領(lǐng)域在這項研究之后會通向何方？’”

帕斯卡的實驗大鼠之一的皮層橫截面（上圖）。虛線標(biāo)記了移植的人類類腦器官的邊緣。染色劑顯示，大鼠的血管高度血管化了移植的類器官。在另一項實驗中，距植入的類器官較遠(yuǎn)的大鼠神經(jīng)元發(fā)出綠光（下圖），這意味著它們已經(jīng)與人類細(xì)胞形成了有效的突觸。

—

斯坦福大學(xué)帕斯卡實驗室

尹素秀更擔(dān)心的是，可能會有團隊受到啟發(fā)想要將人類類腦器官移植到與我們更為相近的物種（例如非人靈長類）中。他說：“從監(jiān)管層面，我們必然會展開激烈的討論，來論證為什么我們要推進到這種更復(fù)雜的情況?！?/p>

帕斯卡說他和他的同事對這種突破界限的實驗并沒有興趣。他還認(rèn)為，在移植過程中培養(yǎng)和維系類器官的難度也會限制大部分這類輕率的研究。他說：“幾乎沒有實驗室能保證設(shè)備和專業(yè)人才都足以支持這種實驗。”

如何改進移植到大鼠的人類類腦器官才是更迫在眉睫且更切實的科學(xué)挑戰(zhàn)。無疑，我們還有漫漫長路要走。目前，人類類腦組織不僅遺漏了參與抑制其他神經(jīng)元活動的神經(jīng)元，還缺少很多神經(jīng)元之外的腦細(xì)胞，例如小膠質(zhì)細(xì)胞和星型膠質(zhì)細(xì)胞。帕斯卡的團隊因此正致力于“裝配體”（assembloids，代表不同腦區(qū)的類器官能通過細(xì)胞遷徙和相互作用組合到一起形成裝配體）的移植實驗。

或許，我們在大鼠大腦中的人類神經(jīng)元得到的發(fā)現(xiàn)在自然人腦中的應(yīng)用是有限的。這些移植研究中使用的大鼠由于基因突變生來就有免疫系統(tǒng)缺陷。正由于它們的免疫系統(tǒng)不太可能排斥植入的人類細(xì)胞，它們才如此適用于移植。但這也意味著研究阿爾茲海默病等已知與免疫有關(guān)的神經(jīng)退行性疾病可能更加困難。并且無論移植的人類大腦類器官有多么真實，只要它們還在大鼠大腦里，它們接觸的就是有著獨特的養(yǎng)分和激素構(gòu)成的大鼠血液，而非人類血液。因此，某種程度上，神經(jīng)科學(xué)家將來研究的這種系統(tǒng)可能與人類頭骨里的現(xiàn)實有些差距。

不同尋常的神經(jīng)生物學(xué)過程如何導(dǎo)致了神經(jīng)及精神障礙呢？對于帕斯卡來說，這個新系統(tǒng)至少提供了一個機會，讓我們比以往任何時候都更接近這個問題的真相。終于，通過將類器官移植到新生的大鼠中，我們在人類神經(jīng)元及神經(jīng)環(huán)路的發(fā)育研究方面，開拓出了一片能全力發(fā)揮現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)工具力量的疆土。

帕斯卡說：“理解那些人類獨有的情況——例如精神疾病——無疑是個難題。難題就需由大膽的舉措來破解。”

參考文獻(xiàn)

1、https://profiles.stanford.edu/sergiu-pasca

2、https://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/group-leaders/h-to-m/madeline-lancaster/

3、https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6331203/

4、https://quadratolab.usc.edu/

5、https://www.quantamagazine.org/human-brains-are-hard-to-study-sergiu-pasca-grows-useful-substitutes-20221012/

6、https://profiles.stanford.edu/felicity-gore

7、https://profiles.stanford.edu/303778

8、https://bioscience.ucla.edu/people/bennett-novitch/

9、https://icahn.mssm.edu/profiles/joel-w-blanchard

10、https://bioethics.hms.harvard.edu/faculty-staff/insoo-hyun

作者：Allison Whitten l 譯者：M. W. l 校對：光影

編輯：M. W. l 排版：光影 l 封面：dreamstudio

原文：

https://www.quantamagazine.org/lab-grown-human-cells-form-working-circuits-in-rat-brains-20221012/

閱讀原文