原創(chuàng) Allison Whitten 神經現實

要想觀察人類神經元的發(fā)育、連接及相互作用的過程，我們仍面臨許多現實的、倫理上的難題，而科學家們對人腦內部運轉方式的認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）帶領的一眾斯坦福大學神經科學家[1]，報告了他們發(fā)現的一種研究人類神經元的新方法——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，人類的神經元及其他腦細胞能夠正常發(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，科學家們就能為一系列的神經發(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。對神經科學實驗室中進行的研究來說，這些模型就和現有的動物模型一樣實用，但由于這些新模型在功能性神經環(huán)路中包含了真正的人類細胞，相比之下它們是研究人類疾病更好的替代。一些現代神經科學工具因為侵入性不適用于真正的人腦，不過現在，這種新模型給了它們用武之地。

英國劍橋分子生物學實驗室（MRC Laboratory of Molecular Biology）的神經科學家瑪德琳·蘭開斯特（Madeline Lancaster）雖沒有參與該研究[2]，卻說道：“這個方法對該領域來說是向前邁出的一大步，它提供了一種理解神經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，生物學家發(fā)現人類干細胞能夠自組織，并且形成囊括不同細胞種類、類似腦組織的小球。之后，這些類器官便為研究腦細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)育或實現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元形成真正的連接。

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斯坦福大學帕斯卡實驗室

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元并任其發(fā)育成熟，還能將這些人類神經元整合進能夠驅動大鼠行為的局部神經環(huán)路。

帕斯卡指出，考慮到人和大鼠的神經系統(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為這項工作不會成功。”但實際上它成功了，人類細胞最終接收到了和其他細胞做出關鍵連接所需的指示信號。

南加州大學的神經科學家喬吉婭·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，它帶領整個領域駛向正確的方向——我們尋找的方法要能提高生理上（和真正人腦的）關聯(lián)性，來讓人類類腦器官模擬人類大腦發(fā)育后期出現的狀況?！?/p>

理解神經元中偏離正軌、導致腦部疾病的細胞及分子過程，是帕斯卡一直以來的動力來源[5]。眾多精神及神經障礙都始于神經發(fā)育的過程（雖然很多癥狀在多年以后才會顯現），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，現就職于希伯來大學）的帶領下，研究團隊在幼年大鼠的神經環(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，人類神經元就能與這一處理外界傳入的感覺信息的關鍵腦區(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元中的流動。這些人類神經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。

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斯坦福大學帕斯卡實驗室

帕斯卡說：“我們發(fā)現，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?！比缓筮@塊類人腦組織的區(qū)域就占據了大鼠大腦一個半球的三分之一。

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

更令人震驚的是，神經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）用藍光刺激人類神經元后，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元融合進大鼠的神經環(huán)路了。這不單是環(huán)路的改變……而是說，人類細胞現在是環(huán)路的一部分了?！?/p>

不過，移植的細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構。（它們也沒有聽從周圍大鼠神經元的指令、獲得大鼠軀體感覺皮層的水桶狀細胞簇的特征。）但是移植的神經元保留了很多真正人類神經元的電學及結構特征。

塞爾久·帕斯卡，斯坦福大學精神病學及行為科學教授、吳蔡神經科學研究院（Wu Tsai Neurosciences Institute）斯坦福腦器官發(fā)生項目（Stanford Brain Organogenesis Program）負責人。

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

對于細胞來說，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為是培養(yǎng)皿中的人類神經元往往不能完全發(fā)育成熟的主要原因；當然，神經發(fā)育的塑造或許也需要神經信號的輸入，而這在培養(yǎng)皿中同樣難以實現。移植的神經元和在培養(yǎng)皿中生長的人類神經元相比，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元。

帕斯卡說：“活體環(huán)境中的一些因素，也就是細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。”

正因為人類神經元在大鼠大腦中能夠達到如此成熟的狀態(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元長出了異常的樹突分支，從而與其他細胞形成了不尋常的連接。關鍵是，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元里觀測到，培養(yǎng)皿中的類器官神經元則沒有這種跡象。

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

加州大學洛杉磯分校的神經科學家、干細胞生物學家本尼特·諾維奇（Bennett Novitch）說道[8]：“這些結果非常令人激動?！彼崾镜?，對于各種神經疾病的研究和藥物測試來說，神經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……探究人類神經元成熟的特征的最佳條件?！?/p>大鼠大腦中移植的神經元（右側）的尺寸和復雜性是在培養(yǎng)皿中的類腦器官里生長的人類神經元（左上角）的數倍。

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斯坦福大學帕斯卡實驗室

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系統(tǒng)疾病的未來更近一步。該領域的其他學者也對此抱有很大希望。西奈山伊坎醫(yī)學院（Icahn School of Medicine at Mount Sinai）的神經科學家喬爾·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>

這項研究的性質也激起了關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員嚴格監(jiān)測，并且技術員有權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知測試環(huán)節(jié)展現出任何異常。

哈佛醫(yī)學院生物倫理學中心（Center for Bioethics）的生物倫理學家尹素秀（Insoo Hyun）說[10]，他對當前的實驗沒有任何倫理上的顧慮。國際干細胞研究協(xié)會（International Society for Stem Cell Research）建立了指導方針來監(jiān)管人類類腦器官及人類細胞在動物中的移植，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的大鼠神經元發(fā)出綠光（下圖），這意味著它們已經與人類細胞形成了有效的突觸。

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斯坦福大學帕斯卡實驗室

尹素秀更擔心的是，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雜的情況。”

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備和專業(yè)人才都足以支持這種實驗?！?/p>

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元活動的神經元，還缺少很多神經元之外的腦細胞，例如小膠質細胞和星型膠質細胞。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元得到的發(fā)現在自然人腦中的應用是有限的。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的神經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)分和激素構成的大鼠血液，而非人類血液。因此，某種程度上，神經科學家將來研究的這種系統(tǒng)可能與人類頭骨里的現實有些差距。

不同尋常的神經生物學過程如何導致了神經及精神障礙呢？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，我們在人類神經元及神經環(huán)路的發(fā)育研究方面，開拓出了一片能全力發(fā)揮現代神經科學工具力量的疆土。

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

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/

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