移植到新生大鼠体内的人脑类器官与新生大鼠的大脑融合

一个新的研究通过将由人类干细胞生长而来的细胞球(称为脑类器官)植入年轻大鼠的大脑，提高了我们模拟大脑发育的能力。这些通常在培养皿中生长的类器官显示出前所未有的成熟程度，与大鼠大脑的其他区域形成了连接，甚至能够刺激动物行为的变化。

这项研究标志着类器官技术向前迈出了一步，该技术已成为发育神经科学的宝贵工具，但也提出了关于动物福利和更复杂的类器官有朝一日可能获得的意识水平的紧迫伦理问题。

这项研究发表在自然．

类器官的起源

2006年，高桥和敏(Kazutoshi Takahashi)和山中伸弥(Shinya Yamanaka)发表了一篇开创性文章纸这表明细胞可以被重新编程到类似胚胎的状态，在这种状态下，它们能够通过一种称为分化的过程，在少数称为转录因子的遗传驱动因素的应用下，被特化为各种其他细胞类型。

从那时起，科学利用干细胞模拟细胞发育的能力迅速发展。斯坦福大学的研究人员由Sergiu Pasca他是精神病学和行为科学教授，一直是推进神经干细胞模型的核心力量。帕斯卡和同事发表了一些有影响力的论文，展示了干细胞衍生的神经元如何被用来模拟疾病，比如罕见的遗传疾病蒂莫西综合症，这种疾病会导致心脏、神经系统和手指畸形。

但早期的干细胞模型是沿着盘子底部单层排列的，缺乏大脑的结构复杂性和电路。世界各地的研究人员开始开发3D干细胞模型——类器官——更忠实地模拟神经过程。但是，尽管培养皿中的类器官被证明是早期大脑的有用模型，但它们的生长在某些发育时间点往往会停滞:没有血液流经它们，缺乏更广泛的神经系统的支持，与成熟哺乳动物大脑绘制的迷宫连接图相比，这些类器官仍然很小，相对简单。

帕斯卡的实验室和他们的嵌合体小鼠可能已经解决了这个问题。

前所未有的一体化程度

与在体外帕斯卡说，“我们无法真正说出我们所识别的缺陷的行为后果是什么。”这限制了它们在研究蒂莫西综合征等疾病方面的应用，这些疾病会产生复杂的智力和行为变化。

为了试图弥合大脑产生的行为和大脑类器官所显示的遗传变化之间的差距，帕斯卡和他的团队将大约1-1.5毫米大小的整个类器官移植到年轻大鼠发育中的大脑中。他说，虽然移植研究并不新鲜，但他的团队的研究有两个创新之处——类器官的复杂性和它们被添加的时间点(出生后3-7天)。“通过在这些早期阶段移植它们，”帕斯卡说，“我们发现这些类器官可以长得相对较大，它们变得血管化，它们生长到覆盖大约三分之一的大鼠大脑半球。”

帕斯卡的团队将他们的类器官添加到大鼠大脑中一个叫做体感皮层的区域，该区域接收来自大鼠胡须的输入。类器官达到的整合水平是前所未有的，在72只移植的大鼠中有81%生根。类器官的连接水平是如此亲密，以至于人类衍生的神经元甚至对刺激大鼠的胡须有反应。大鼠产生的一种叫做小胶质细胞的支持细胞甚至缠绕到移植细胞中。使用的老鼠缺乏胸腺，这意味着它们的免疫系统有缺陷，阻止它们的身体排斥移植的细胞。

一旦就位，神经元也会表现出更好模仿的物理变化在活的有机体内大脑的大小大约是培养皿中神经元的六倍，并表现出更复杂的电活动。移植细胞分化成一系列细胞类型，但没有显示出正常大鼠皮层形成的分层排列。这些类器官具有更复杂的树突连接排列，并且能够比同等的盘子生长的类器官更强的电发射速率。经过大约8个月的生长，对类器官转录本的分析表明，这些基因产物与完整人脑中胎儿晚期产生的基因产物相似。

建模的疾病

然后，研究小组移植了蒂莫西综合征患者干细胞培养的类器官。虽然在培养皿中生长的这些患者的类器官看起来与没有蒂莫西综合症的个体的类器官相似，但移植的类器官生长出异常的树突模式，这表明只有使用新系统才能获得对神经发育疾病的一些见解。移植后蒂莫西综合征患者衍生细胞的生长也发生了变化，“患者细胞没有长得那么大。两者之间的区别是肉眼可以看到的。”帕斯卡解释道。

然而，也许移植的类器官最显著的特征是它们与大鼠现有大脑的网络程度。该团队使用了大量的基因标记技术来绘制和调节移植。他们发现，不仅移植物接收了来自大鼠大脑其他部分的输入，而且针对移植物的光刺激能够改变大鼠在行为任务中的表现。

评估类器官的风险

MRC分子生物学实验室的科学家马德琳·兰卡斯特(Madeline Lancaster)是首批类器官研究的先驱，但没有参与研究，她称这项工作是该领域的“向前迈出的一步”。“(这项研究)提供了一种利用人类模型系统来理解神经元功能障碍的新方法，”兰卡斯特说。Pasca认为该系统可以作为一种新型药物平台，介于两者之间在体外临床前工作和人类在活的有机体内临床试验

而干细胞可以产生自己的细胞道德恐慌在美国，盘子培养的类器官获得感知或意识的风险已经微乎其微。但是，随着技术进入生物系统并变得越来越复杂，这些风险发生了怎样的变化?Pasca解释说，在整个研究过程中，他的团队与内部和外部的生物伦理学家密切合作，优先考虑动物的健康。他解释说:“我们主要担心的一个问题是，他们可能会癫痫发作。”但电学和生理学分析表明，大鼠癫痫发作的风险没有增加，压力也没有增加，记忆力也没有下降。“就我们所知，老鼠的行为或健康状况没有任何改变。”

Pasca说:“我相信我们有道义上的责任去寻找更好的模型来研究精神疾病。”“当然，这些模型变得越人性化，我们对这些情况就越不舒服，但我觉得人类精神障碍在很大程度上是人类独有的，所以我们必须非常仔细地考虑，在这一点上，我们想要用这些模型走多远。”

“最小的担忧”

兰卡斯特大学还考虑了这项研究的道德影响。”我不担心人体移植是否会导致动物变得更‘人类’，因为这些移植的体积很小，而且它们的整体组织仍然缺乏，”她评论道。“因此，我认为这是一个在单个神经元或一组神经元水平上研究人类神经元成熟的模型，但这些并不是真正的大脑组织被植入，因此对它们具有更高认知功能的潜力的担忧微乎其微。”

同样的技术能否应用于与人类关系更密切的更复杂的大脑，比如灵长类动物?帕斯卡指出，这样的实验不仅需要克服技术障碍，而且从道德角度来看，它更令人担忧。他说:“今天在大鼠身上的移植涉及到天然障碍，无法达到多大程度的整合。”他指出，大鼠和人类的发育时间表截然不同。

帕斯卡警告说:“但如果你移植的物种的时间与人类更接近，你就会期望融合的时间更接近。”“但我们目前不认为(使用灵长类动物)是必要的。首先，我们必须利用我们开发的技术，让它发挥作用，看看它能教给我们关于人类大脑发育的什么东西。”

参考: Revah O, Gore F, Kelley KW等．移植人皮质类器官的成熟与电路集成。自然．2022.Doi:10.1038 / s41586 - 022 - 05277 - w