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

要想觀察人類神經(jīng)元的發(fā)育、連接及相互作用的過(guò)程，我們?nèi)悦媾R許多現(xiàn)實(shí)的、倫理上的難題，而科學(xué)家們對(duì)人腦內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)方式的認(rèn)識(shí)長(zhǎng)期以來(lái)都受困于此。但最近，于《自然》發(fā)表的一項(xiàng)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(bào)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(méi)有完全發(fā)育成熟時(shí)，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(jué)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(xiàng)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(dú)癥譜系障礙）建立新的活體模型了。對(duì)神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的研究來(lái)說(shuō)，這些模型就和現(xiàn)有的動(dòng)物模型一樣實(shí)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?yàn)榍秩胄圆贿m用于真正的人腦，不過(guò)現(xiàn)在，這種新模型給了它們用武之地。

英國(guó)劍橋分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MRC Laboratory of Molecular Biology）的神經(jīng)科學(xué)家瑪?shù)铝铡ぬm開(kāi)斯特（Madeline Lancaster）雖沒(méi)有參與該研究[2]，卻說(shuō)道：“這個(gè)方法對(duì)該領(lǐng)域來(lái)說(shuō)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。”

這項(xiàng)工作也開(kāi)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(dòng)打開(kāi)了新窗口，但我們從這個(gè)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(guò)電信號(hào)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(jì)算水平上的超凡能力。

實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)。新研究顯示，人類組織不僅可以在其中生長(zhǎng)，還能與大鼠大腦的神經(jīng)元形成真正的連接。

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斯坦福大學(xué)帕斯卡實(shí)驗(yàn)室

多年前，一些研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)能夠驅(qū)動(dòng)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(shí)機(jī)之間存在巨大的差異，“我們有成千上萬(wàn)個(gè)理由認(rèn)為這項(xiàng)工作不會(huì)成功?！钡珜?shí)際上它成功了，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(hào)。

南加州大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家喬吉婭·瓜德拉托（Giorgia Quadrato）說(shuō)[4]：“這是一項(xiàng)十分有必要且完成得非常漂亮的研究，它帶領(lǐng)整個(gè)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(lái)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(guò)程，是帕斯卡一直以來(lái)的動(dòng)力來(lái)源[5]。眾多精神及神經(jīng)障礙都始于神經(jīng)發(fā)育的過(guò)程（雖然很多癥狀在多年以后才會(huì)顯現(xiàn)），因此，填補(bǔ)我們這部分知識(shí)空白的最好方式，就是切實(shí)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(kāi)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?duì)枺‵elicity 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(lái)大學(xué)）的帶領(lǐng)下，研究團(tuán)隊(duì)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(jué)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(jué)信息的關(guān)鍵腦區(qū)形成長(zhǎng)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(dòng)。這些人類神經(jīng)元對(duì)所處的大鼠大腦發(fā)來(lái)的信號(hào)作出自發(fā)的放電反應(yīng)。

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斯坦福大學(xué)帕斯卡實(shí)驗(yàn)室

帕斯卡說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)，如果我們?cè)谶@么早的階段就把類腦放進(jìn)大鼠大腦里……它在四或五個(gè)月里就能長(zhǎng)到原來(lái)的九倍大?！比缓筮@塊類人腦組織的區(qū)域就占據(jù)了大鼠大腦一個(gè)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(guò)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(lái)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(kāi)始對(duì)大鼠胡須傳來(lái)的觸覺(jué)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(dòng)就變得更加活躍。

更令人震驚的是，神經(jīng)信號(hào)還能以相反方向流動(dòng)并影響大鼠行為。研究人員（通過(guò)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(lái)尋求獎(jiǎng)勵(lì)。

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

不過(guò)，移植的細(xì)胞在它們的新家里并沒(méi)有完全模擬人類腦組織。例如，它們沒(méi)有像在人的大腦皮層里時(shí)那樣自動(dòng)形成多層結(jié)構(gòu)。（它們也沒(méi)有聽(tīng)從周圍大鼠神經(jīng)元的指令、獲得大鼠軀體感覺(jué)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(xiàng)目（Stanford Brain Organogenesis Program）負(fù)責(zé)人。

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

對(duì)于細(xì)胞來(lái)說(shuō)，能真正處在大腦（而不是培養(yǎng)皿）里的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)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(gè)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(diǎn)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(hào)的輸入，而這在培養(yǎng)皿中同樣難以實(shí)現(xiàn)。移植的神經(jīng)元和在培養(yǎng)皿中生長(zhǎng)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(dòng)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(shuō)：“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(hào)將它們推向了更成熟的水平?！?/p>

正因?yàn)槿祟惿窠?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(zhǎng)QT綜合癥，常伴隨孤獨(dú)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(zhǎng)出了異常的樹(shù)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(cè)到，培養(yǎng)皿中的類器官神經(jīng)元?jiǎng)t沒(méi)有這種跡象。

帕斯卡強(qiáng)調(diào)，一直以來(lái)，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(shuō)道[8]：“這些結(jié)果非常令人激動(dòng)。”他提示道，對(duì)于各種神經(jīng)疾病的研究和藥物測(cè)試來(lái)說(shuō)，神經(jīng)組織的體外研究仍將會(huì)是更快且更實(shí)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?！?/p>

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(zhǎng)的人類神經(jīng)元（左上角）的數(shù)倍。

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斯坦福大學(xué)帕斯卡實(shí)驗(yàn)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(lái)更近一步。該領(lǐng)域的其他學(xué)者也對(duì)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(shuō)：“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(jìn)程?！?/p>

這項(xiàng)研究的性質(zhì)也激起了關(guān)于實(shí)驗(yàn)動(dòng)物福利及善待的一些問(wèn)題。因此，帕斯卡和同事從一開(kāi)始就與倫理學(xué)家開(kāi)展了積極的討論。在所有包含動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)中，都有一條法律規(guī)定大鼠必須由實(shí)驗(yàn)室技術(shù)員嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，并且技術(shù)員有權(quán)在任何時(shí)候停止實(shí)驗(yàn)。不過(guò)，在該研究中，移植了人類類腦器官的大鼠并沒(méi)有在行為及認(rèn)知測(cè)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(shuō)[10]，他對(duì)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有任何倫理上的顧慮。國(guó)際干細(xì)胞研究協(xié)會(huì)（International Society for Stem Cell Research）建立了指導(dǎo)方針來(lái)監(jiān)管人類類腦器官及人類細(xì)胞在動(dòng)物中的移植，而帕斯卡的團(tuán)隊(duì)遵循了所有規(guī)定。尹素秀說(shuō)：“對(duì)我來(lái)說(shuō)，真正的問(wèn)題是要意識(shí)到‘該領(lǐng)域在這項(xiàng)研究之后會(huì)通向何方？’”

帕斯卡的實(shí)驗(yàn)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)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。

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斯坦福大學(xué)帕斯卡實(shí)驗(yàn)室

尹素秀更擔(dān)心的是，可能會(huì)有團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)類）中。他說(shuō)：“從監(jiān)管層面，我們必然會(huì)展開(kāi)激烈的討論，來(lái)論證為什么我們要推進(jìn)到這種更復(fù)雜的情況?！?/p>

帕斯卡說(shuō)他和他的同事對(duì)這種突破界限的實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有興趣。他還認(rèn)為，在移植過(guò)程中培養(yǎng)和維系類器官的難度也會(huì)限制大部分這類輕率的研究。他說(shuō)：“幾乎沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室能保證設(shè)備和專業(yè)人才都足以支持這種實(shí)驗(yàn)?！?/p>

如何改進(jìn)移植到大鼠的人類類腦器官才是更迫在眉睫且更切實(shí)的科學(xué)挑戰(zhàn)。無(wú)疑，我們還有漫漫長(zhǎng)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(dòng)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(tuán)隊(duì)因此正致力于“裝配體”（assembloids，代表不同腦區(qū)的類器官能通過(guò)細(xì)胞遷徙和相互作用組合到一起形成裝配體）的移植實(shí)驗(yàn)。

或許，我們?cè)诖笫蟠竽X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(lái)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(wú)論移植的人類大腦類器官有多么真實(shí)，只要它們還在大鼠大腦里，它們接觸的就是有著獨(dú)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(lái)研究的這種系統(tǒng)可能與人類頭骨里的現(xiàn)實(shí)有些差距。

不同尋常的神經(jīng)生物學(xué)過(guò)程如何導(dǎo)致了神經(jīng)及精神障礙呢？對(duì)于帕斯卡來(lái)說(shuō)，這個(gè)新系統(tǒng)至少提供了一個(gè)機(jī)會(huì)，讓我們比以往任何時(shí)候都更接近這個(gè)問(wèn)題的真相。終于，通過(guò)將類器官移植到新生的大鼠中，我們?cè)谌祟惿窠?jīng)元及神經(jīng)環(huán)路的發(fā)育研究方面，開(kāi)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(shuō)：“理解那些人類獨(dú)有的情況——例如精神疾病——無(wú)疑是個(gè)難題。難題就需由大膽的舉措來(lái)破解?！?/p>

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(duì)：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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