人脑移植？《自然》：干细胞衍生人脑类器官与大鼠大脑实现连接

导读：据美国国立卫生研究院（NIH）10月12日发表的新闻，科学家们已经开发出研究大脑连接性和功能的方法，通过利用人源干细胞培养大脑类器官并将其插入发育中的小鼠大脑中，来了解它们如何随着时间的推移而整合和发挥作用，从而研究与疾病相关的大脑过程。

人类大脑发育是一个非凡的自组织过程，其中细胞增殖，分化，迁移和连接以形成功能正常的神经回路，随后通过感官体验进行优化。

至今人类大脑发育调控机制仍未阐明，然而人体大脑实验存在着道德与生命伦理方面的挑战,为此，科学家们利用干细胞创造了类器官。

类器官是一种具有广阔应用前景的体外平台，可以模拟人体发育和疾病，用于生物发育研究、病理研究、药物筛选，甚至器官再生。

例如，大脑类器官，是胚胎干细胞或人诱导多能干细胞经人工培养分化而成的微型大脑，其功能组织结构与大脑相似，可以作为研究人脑某些方面如何发育和功能的模型，代替真正的人体开展神经生理学和疾病研究。

目前，大脑类器官已被应用于小头畸形、阿尔茨海默症 、神经系统感染等疾病研究中。

不过体外培养的大脑类器官还存在许多局限性；比如在大脑类器官的体外培养过程中，一些体外因素如小鼠来源的细胞外基质替代物、胎牛血清等都可能会影响药物筛选等实验的结果；又如，相较于人体正常组织器官的生理环境，大脑类器官缺乏结缔组织，血管和免疫细胞的微环境；更重要的是，大脑类器官缺乏典型人脑中的连接性，限制了科学家们通过大脑类器官来理解“行为”、“思维”等复杂大脑过程。

针对以上问题，斯坦福大学的神经科学家Sergiu Pașca （塞尔吉·帕斯卡）教授团队将人干细胞来源的大脑类器官移植到新生大鼠大脑的初级躯体感觉皮层中，发现人脑类器官不仅能够整合到新生大鼠大脑中，还能影响大鼠的行为。

该研究成果于2022年10月12日发表在《自然》杂志上，题为“Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids” 

研究人员使用人类诱导多能干细胞（hiPSCs）来制造完整的人类大脑类器官，并将其移植到早期产后无胸腺大鼠（产后第3-7天）大脑的初级躯体感觉皮层中。

由于无胸腺大鼠的细胞免疫处于完全丧失的状态，不排斥来自异种动物的组织移植，并且此时的大鼠大脑处于早期塑性发育阶段，丘脑皮质和皮质皮质轴突投影尚未完成其对感觉皮层的神经支配，因此，这种方法能够最大限度地提高大脑类器官的功能集成度，同时最大限度地减少内源性电路的影响。

1. 大鼠的体内环境显著促进人脑类器官的发育成熟 

研究人员在多个时间点对同一移植大鼠进行连续的磁共振（MRI）扫描，不断监测人脑类器官的发育情况，发现人脑类器官能够在大鼠脑内成功生长，3个月时体积增加了9倍，并且移植了类器官的大鼠在接受移植后12个月时存活率很高（74%），未出现运动或记忆缺陷、神经胶质增生等中枢神经系统异常现象。

与体外培养的人脑类器官相比，大鼠的体内环境显著地促进了人脑类器官的发育成熟，胞体比体外培养时增加1.5倍，树突总长度增加6倍，树突棘密度也显著高于体外培养的神经元，其神经元电生理特性高度复杂化，如静置膜电位超极化、电流刺激后去极化速率高。

2. 人脑类器官可以作为神经系统疾病的可靠模型 

为了探究人脑类器官在大鼠体内是否可用于发现疾病表型，研究者招募了3名Timothy综合征患者以及3名健康的志愿者，采集这些人的成体细胞来产生人类诱导多能干细胞，通过诱导分化获得其大脑类器官，然后移植到大鼠大脑中。（注：Timothy综合征是一种与自闭症和癫痫相关的罕见遗传性疾病，患者常产生严重的神经发育异常。）

结果发现，相比对照组，Timothy综合征患者的大脑类器官元会生长出异常的树突状分支，并具有不同的放电频率。这说明这项技术能捕捉到以往在体外模型中检测不到的疾病特征，可以作为神经系统疾病的可靠模型。

3.人脑类器官可利用大鼠神经回路驱动大鼠行为

在探索人脑类器官在大鼠大脑皮层中能发挥多大程度的功能性时，研究人员惊奇地发现，移植过来的人类神经元竟然可以将轴突投射到大鼠的脑组织中，并与大鼠神经元形成突触，基于此，他们决定测试人脑器官是否能调节大鼠的行为。

研究人员先将带有特殊的光敏蛋白的人脑类器官植入新生大鼠大脑皮层，待这些大鼠发育90天后，再将光纤植入到人脑类器官细胞中以进行光传递，然后开始大鼠行为试验：随机交错地呈现5 s长的蓝色（473nm）和红色（635nm）激光刺激。如果大鼠在蓝光刺激期间舔舐，则获得水奖励，但如果在红光刺激期间舔舐则没有奖励。

在训练的第1天，大鼠在蓝光或红光刺激期间的舔舐行为没有差异。然而，在第15天，大鼠在蓝光刺激期间表现出更多的舔舐以寻求水奖励。

这些大鼠学会了将蓝光和喝水联系起来，这意味着人脑类器官的细胞已经充分融合并参与到了大鼠大脑的工作，研究人员能够通过激活移植的人脑类器官中的神经元，以调节大鼠的奖励寻求行为。

4.人脑类器官移植大鼠未产生人类思维

研究团队考虑到了此项研究可能引发的伦理问题，不过这些大鼠并没有表现出可检测到的人类特征，在学习测试中，它们的得分并不比其他老鼠好，因此现阶段还不用担心移植“人脑”会让大鼠学会像人类一样思考。

未来展望：

尽管目前干细胞脑类器官移植仍存在一定的局限性，如为了实现跨物种异体类器官的成功植入，所使用的无胸腺大鼠可能掩盖了很多疾病发生发展过程中免疫系统发挥的作用；又如大鼠和人体的内部环境终究是不同的，也许未来可能会有科学家把人脑类器官移植到与人类更相似的物种如灵长类动物中。

但这次研究或将推进干细胞脑类器官的使用，在进一步的研究中也许能让我们利用患者来源的干细胞揭开一些罕见的、难治的、无从了解的疾病类型的特征。

打赏