自從3D打印的問世，世界就開始變得瘋狂起來(lái)，在各個(gè)領(lǐng)域都掀起了革命的熱潮，尤其在關(guān)乎人類生命健康的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。卵巢支架、血管、耳朵、心臟瓣膜，單單這些器官的成功構(gòu)建就讓我們覺得匪夷所思，然而科研界依然有更多的研究成果不斷帶給我們驚喜。

每一個(gè)研究腦神經(jīng)的科學(xué)家們都期望能在體外借助人類胚胎干細(xì)胞構(gòu)建3D“微型大腦”模型，因?yàn)?D“微型大腦”的結(jié)構(gòu)和功能比目前2D模型更為接近真正的大腦，因而，對(duì)3D大腦模型的深入解析可以加深對(duì)大腦發(fā)育過程的理解，同時(shí)也為各類精神疾病的生理性發(fā)病機(jī)制提供新的思路。

近日哈佛大學(xué)的Giorgia Quadrato等人和斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Fikri Birey等人均在3D大腦領(lǐng)域中取得喜人的成績(jī)，他們用體外多能干細(xì)胞培育3D大腦類器官，并對(duì)其區(qū)域復(fù)雜性、胞內(nèi)多樣性和腦神經(jīng)環(huán)路功能進(jìn)行了相關(guān)研究，文章均發(fā)表在頂級(jí)雜志Nature上。

Giorgia Quadrato等人深入研究了大腦發(fā)育過程，首先通過單細(xì)胞測(cè)序和免疫組化技術(shù)，對(duì)多能干細(xì)胞在體外培育出的人腦類器官進(jìn)行細(xì)胞特性的歸納與分類。其次，把體外多能干細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育成類器官的周期延長(zhǎng)，并將培養(yǎng)了六個(gè)月的類器官細(xì)胞群分為內(nèi)源性成年人角質(zhì)細(xì)胞類群、大腦皮層前體細(xì)胞類群、表達(dá)視網(wǎng)膜基因的細(xì)胞類群等十個(gè)主要的類群。

然后進(jìn)一步分析了不同細(xì)胞類群在不同發(fā)育階段的基因表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)人腦類器官具有分化成內(nèi)源性器官的潛能，比如來(lái)自新生皮層和視網(wǎng)膜的細(xì)胞具有發(fā)育成皮層和視網(wǎng)膜的特性。

而且類器官長(zhǎng)期培養(yǎng)（超過9個(gè)月）后有更深層次的分化成熟，如突觸和樹突棘的形成和自發(fā)的活動(dòng)性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成等表觀相對(duì)成熟的特征。

另外還發(fā)現(xiàn)，大腦類器官存在受光刺激調(diào)節(jié)的功能性光敏細(xì)胞，并且可利用光敏細(xì)胞的感光性操縱大腦類器官的神經(jīng)活動(dòng)，這對(duì)于探究人類大腦神經(jīng)環(huán)路的功能又提供了一種研究手段。

Fikri Birey等人則聚焦于大腦發(fā)育相關(guān)的疾病研究，先將人源多能干細(xì)胞（hPS cells）發(fā)育的類器官誘導(dǎo)分化為皮層類器官（hCS）和亞皮層類器官（hSS）；再根據(jù)特定神經(jīng)元的標(biāo)記物、單細(xì)胞測(cè)序，進(jìn)一步將其劃分為谷氨酸能神經(jīng)元類群、GABA能神經(jīng)元類群等八大類群。

電生理全細(xì)胞記錄發(fā)現(xiàn)，大約75%的hSS神經(jīng)元產(chǎn)生動(dòng)作電位，且60%的神經(jīng)元記錄到自發(fā)的抑制性突觸后電流（IPSCs）。

為了進(jìn)一步研究GABA能神經(jīng)元從腹側(cè)到背側(cè)前腦的遷移以及對(duì)皮層環(huán)路的整合，F(xiàn)ikri Birey等人利用融合的hCS-hSS來(lái)構(gòu)建細(xì)胞遷移缺陷的TS（Timothy syndrome，TS，是由于CaV1.2鈣離子通道突變引起的神經(jīng)發(fā)育疾?。┠Ｐ?。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比于對(duì)照組，TS呈現(xiàn)出異常的中間神經(jīng)元的遷移，并且這種中間神經(jīng)元的異常遷移可以通過減少L型鈣通道的活動(dòng)（LTCCs）來(lái)恢復(fù)到正常水平。

同時(shí)也發(fā)現(xiàn)融合的hCS-hSS在神經(jīng)元遷移之后，中間神經(jīng)元功能性的整合到谷氨酸能神經(jīng)元，形成了生理狀態(tài)下的微系統(tǒng)。

這是首次利用人腦類器官模型來(lái)研究人的中間神經(jīng)元到皮層的遷移和大腦微環(huán)路的功能整合。

參考文獻(xiàn)：1、Cell diversity and network dynamics in photosensitive human brain organoids

2、Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids