科学家构建脑类器官模型，为研究人类大脑提供新窗口

·“目前尚无人源性SpV模型，这限制了对人体内SpV核团发育、功能及其病理机制的研究。因此，构建SpV类器官将为研究人类大脑提供新颖且重要的（有时甚至是唯一的）窗口。例如，如果希望在人源遗传背景下研究SpV核团，目前尚无其他有效的方法供选择。”

脑科学是生命科学研究的重要领域之一，在理解人脑、干预脑疾病以及开发人工智能等方面具有重要作用。在过去，研究大脑主要借助模式动物和二维细胞培养等模型的方式。近年来，脑类器官的出现为探索人脑奥秘提供了新的机遇。

类器官（organoid），即类似于真实器官的微型模型，通过对多能干细胞或者成体细胞进行体外三维培养，自组织形成，与人体器官结构高度相似，并能复现被模仿器官的部分功能。近年来，类器官领域发展迅速，脑类器官已被广泛应用于研究脑发育、遗传性脑发育疾病、神经退行疾病等领域。

但是，人类大脑是一个复杂的系统，针对特定脑亚区及脑核团构建特异的脑类器官模型仍面临许多挑战。近年来，尽管多种基于定向分化的脑区特异类器官已成功建立，但国际上关于在体外重现具备核团特征的脑类器官的研究进展仍有限。

上海科技大学生命科学与技术学院向阳飞课题组构建了脊髓三叉神经核团（Spinal trigeminal nucleus ，SpV）特异的人脑类器官，并完成了核团相关的脑区间连接体外模型的构建，2024年8月28日，该研究在线发表于《细胞-干细胞》（Cell Stem Cell）杂志。

构建脊髓三叉神经核团类器官

近日，向阳飞向澎湃科技表示，目前针对后脑区域的类器官构建方法较少，尤其缺乏具有核团特异性的后脑类器官模型。脊髓三叉神经核团（SpV）是位于后脑的最大颅神经核，也是三叉神经核的关键结构，负责接收并传递外周感觉信息至上行的其他脑区。SpV在处理和调节感觉信息及介导相关的病理机制方面发挥着至关重要的作用。

“目前尚无人源性SpV模型，这限制了对人体内SpV核团发育、功能及其病理机制的研究。因此，构建SpV类器官将为科研人员提供一个更为便捷的工具，以探索相关问题。它将为研究人类大脑提供新颖且重要的（有时甚至是唯一的）窗口。例如，如果希望在人源遗传背景下研究SpV核团，目前尚无其他有效的方法供选择。”向阳飞说。

“目前针对绝大多数脑核团尚未建立类器官模型。”向阳飞表示，除了此次报道的研究外，国际上已有的报道仅包括向阳飞团队此前建立的丘脑核团类器官和美国宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）Guo-li Ming团队报道的下丘脑核团类器官。向阳飞说，目前构建脑核团类器官所面临的主要挑战有两个方面：首先，针对众多脑核团的发育过程，尚缺乏系统性的认识；其次，如何在体外精确调控干细胞的分化，以重现脑核团在体内的发育调控需要大量的探索。

为建立特异模拟SpV的脑类器官，研究人员解析了SpV类器官的特征及其细胞谱系发育过程。他们还发现，SpV神经元在长期培养中自发形成轴突束结构——这是一种神经细胞的长突起，可以延伸到脑内其他区域，与其他神经细胞形成连接，从而传递神经信号，表明SpV神经元具有在脑类器官中模拟其在真实大脑中的连接和功能的能力。

研究人员对SpV类器官和丘脑类器官进行了融合培养，以在体外模拟SpV与丘脑之间的连接。结果显示，SpV神经元向丘脑侧投射的能力显著强于丘脑神经元向SpV区域的投射能力。研究团队进一步通过不同的融合组合，如SpV类器官与丘脑类器官的融合、SpV类器官与皮层类器官的融合、以及丘脑类器官与皮层类器官的融合，分析了不同神经组织间建立投射的特征。这些投射特征与体内不同脑区间的连接特征相一致。此外，通过逆行示踪、光遗传、钙成像、电极刺激与记录等多种研究手段，研究人员进一步证实了在融合类器官中，SpV细胞与丘脑细胞之间建立了连接。

向阳飞告诉澎湃科技，研究过程中最困难的是找到最合适的类器官分化条件。针对这个问题，向阳飞团队基于发育生物学原理做了大量的设计与测试。此外，脑类器官培养周期一般长达数月，实验周期较长，也是一个问题，“需要大量的耐心”。

未来，向阳飞团队计划开展更多功能研究，以分析SpV-丘脑融合类器官中两种神经组织之间的功能连接以及在发育过程中对彼此的影响。他们还将应用SpV类器官及融合类器官模型于发育与病理机制研究。

脑类器官与真实人脑的差异

向阳飞介绍，脑类器官已被广泛应用于研究脑发育、遗传性脑发育疾病、神经退行疾病、脑进化、再生医学、脑肿瘤以及病原体感染等领域。十年前，关于脑类器官的报道每年仅十余篇，而如今这一数字已增至每年约500篇，其中大部分研究都是利用脑类器官探讨各种生物学和医学问题。

脑类器官的局限性在于，它并不能替代人脑，“实际上，构建脑类器官的目的本身也并非为了替代人脑。我们希望尽量在体外培育出能够更好地体现人脑关键特征的培养物，为研究人脑提供一种更便捷和可及的窗口，这对深入了解人脑中的生物学机制至关重要。”向阳飞说，其团队此次构建的SpV特异的人脑类器官也无法完全替代人体内对应的组织，然而从细胞组分、空间自组织及功能等方面重现体内脑组织的精细结构及其发育过程，依然是技术发展中的重要一步。

“为了更好地呈现人脑特征，脑类器官仍需解决许多技术上的局限性。其中一个备受关注的挑战就是如何实现脑类器官的功能性血管化，以便更好地在体外维持神经组织的长期发育与成熟。”向阳飞说。

据悉，脑类器官长到几毫米之后就会停止生长，原因是没有提供氧气和营养的血管。目前，大多数科学家研制的脑类器官尚未形成功能性血管网络。向阳飞说，这也是他们团队正在尝试解决的问题。

尽管脑类器官与真正的大脑相差甚远，但一个伦理问题已经受到关注：“培养皿中的类大脑”会最终产生意识吗？

2020年10月，英国萨塞克斯大学（University of Sussex）认知神经科学家Anil Seth在《自然》（Nature）的播客中表示，不能排除脑类器官产生意识的可能性，如果脑类器官变得足够复杂，它们所展示的活动可能会变得更加类似于有意识的人类的活动，但问题在于我们不知道什么样的复杂性会导致意识。

但大多数科学家认为脑类器官不会发展出意识。向阳飞表示：“目前体外培养的脑类器官并不具备产生意识的条件。除了脑类器官本身结构较为简单、神经元数量远远少于真实大脑之外，脑类器官也缺乏与外界交互的能力。即便在体内移植，目前也并没有证据表明移植后的动物会产生人类意识。”

“实际上，基于当前的技术水平，脑类器官出现意识的可能性可以忽略不计。当然，在脑类器官技术不断发展的背景下，适当的伦理讨论很有必要。”他说。

参考资料：

1.https://www.nature.com/articles/d41586-020-03033-6#MO0

2.http://www.news.cn/health/2023-02/03/c_1211724659.htm

3.https://mp.weixin.qq.com/s/gr91G82oflrXlYE0Hl1Hag

4.https://doi.org/10.1016/j.stem.2024.08.004