中國科學家構建腦類器官模型，為研究人類大腦提供新視窗

·“目前尚無人源性SpV模型，這限制了對人體內SpV核團發育、功能及其病理機制的研究。因此，構建SpV類器官將為研究人類大腦提供新穎且重要的（有時甚至是唯一的）視窗。例如，如果希望在人源遺傳背景下研究SpV核團，目前尚無其他有效的方法供選擇。”

腦科學是生命科學研究的重要領域之一，在理解人腦、干預腦疾病以及開發人工智慧等方面具有重要作用。在過去，研究大腦主要藉助模式動物和二維細胞培養等模型的方式。近年來，腦類器官的出現為探索人腦奧秘提供了新的機遇。

類器官（organoid），即類似於真實器官的微型模型，透過對多能幹細胞或者成體細胞進行體外三維培養，自組織形成，與人體器官結構高度相似，並能復現被模仿器官的部分功能。近年來，類器官領域發展迅速，腦類器官已被廣泛應用於研究腦發育、遺傳性腦發育疾病、神經退行疾病等領域。

但是，人類大腦是一個複雜的系統，針對特定腦亞區及腦核團構建特異的腦類器官模型仍面臨許多挑戰。近年來，儘管多種基於定向分化的腦區特異類器官已成功建立，但國際上關於在體外重現具備核團特徵的腦類器官的研究進展仍有限。

上海科技大學生命科學與技術學院向陽飛課題組構建了脊髓三叉神經核團（Spinal trigeminal nucleus ，SpV）特異的人腦類器官，並完成了核團相關的腦區間連線體外模型的構建，2024年8月28日，該研究線上發表於《細胞-幹細胞》（Cell Stem Cell）雜誌。

構建脊髓三叉神經核團類器官

近日，向陽飛向澎湃科技表示，目前針對後腦區域的類器官構建方法較少，尤其缺乏具有核團特異性的後腦類器官模型。脊髓三叉神經核團（SpV）是位於後腦的最大顱神經核，也是三叉神經核的關鍵結構，負責接收並傳遞外周感覺資訊至上行的其他腦區。SpV在處理和調節感覺資訊及介導相關的病理機制方面發揮著至關重要的作用。

“目前尚無人源性SpV模型，這限制了對人體內SpV核團發育、功能及其病理機制的研究。因此，構建SpV類器官將為科研人員提供一個更為便捷的工具，以探索相關問題。它將為研究人類大腦提供新穎且重要的（有時甚至是唯一的）視窗。例如，如果希望在人源遺傳背景下研究SpV核團，目前尚無其他有效的方法供選擇。”向陽飛說。

“目前針對絕大多數腦核團尚未建立類器官模型。”向陽飛表示，除了此次報道的研究外，國際上已有的報道僅包括向陽飛團隊此前建立的丘腦核團類器官和美國賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）Guo-li Ming團隊報道的下丘腦核團類器官。向陽飛說，目前構建腦核團類器官所面臨的主要挑戰有兩個方面：首先，針對眾多腦核團的發育過程，尚缺乏系統性的認識；其次，如何在體外精確調控幹細胞的分化，以重現腦核團在體內的發育調控需要大量的探索。

為建立特異模擬SpV的腦類器官，研究人員解析了SpV類器官的特徵及其細胞譜系發育過程。他們還發現，SpV神經元在長期培養中自發形成軸突束結構——這是一種神經細胞的長突起，可以延伸到腦內其他區域，與其他神經細胞形成連線，從而傳遞神經訊號，表明SpV神經元具有在腦類器官中模擬其在真實大腦中的連線和功能的能力。

研究人員對SpV類器官和丘腦類器官進行了融合培養，以在體外模擬SpV與丘腦之間的連線。結果顯示，SpV神經元向丘腦側投射的能力顯著強於丘腦神經元向SpV區域的投射能力。研究團隊進一步透過不同的融合組合，如SpV類器官與丘腦類器官的融合、SpV類器官與皮層類器官的融合、以及丘腦類器官與皮層類器官的融合，分析了不同神經組織間建立投射的特徵。這些投射特徵與體內不同腦區間的連線特徵相一致。此外，透過逆行示蹤、光遺傳、鈣成像、電極刺激與記錄等多種研究手段，研究人員進一步證實了在融合類器官中，SpV細胞與丘腦細胞之間建立了連線。

向陽飛告訴澎湃科技，研究過程中最困難的是找到最合適的類器官分化條件。針對這個問題，向陽飛團隊基於發育生物學原理做了大量的設計與測試。此外，腦類器官培養週期一般長達數月，實驗週期較長，也是一個問題，“需要大量的耐心”。

未來，向陽飛團隊計劃開展更多功能研究，以分析SpV-丘腦融合類器官中兩種神經組織之間的功能連線以及在發育過程中對彼此的影響。他們還將應用SpV類器官及融合類器官模型於發育與病理機制研究。

腦類器官與真實人腦的差異

向陽飛介紹，腦類器官已被廣泛應用於研究腦發育、遺傳性腦發育疾病、神經退行疾病、腦進化、再生醫學、腦腫瘤以及病原體感染等領域。十年前，關於腦類器官的報道每年僅十餘篇，而如今這一數字已增至每年約500篇，其中大部分研究都是利用腦類器官探討各種生物學和醫學問題。

腦類器官的侷限性在於，它並不能替代人腦，“實際上，構建腦類器官的目的本身也並非為了替代人腦。我們希望儘量在體外培育出能夠更好地體現人腦關鍵特徵的培養物，為研究人腦提供一種更便捷和可及的視窗，這對深入瞭解人腦中的生物學機制至關重要。”向陽飛說，其團隊此次構建的SpV特異的人腦類器官也無法完全替代人體內對應的組織，然而從細胞組分、空間自組織及功能等方面重現體內腦組織的精細結構及其發育過程，依然是技術發展中的重要一步。

“為了更好地呈現人腦特徵，腦類器官仍需解決許多技術上的侷限性。其中一個備受關注的挑戰就是如何實現腦類器官的功能性血管化，以便更好地在體外維持神經組織的長期發育與成熟。”向陽飛說。

據悉，腦類器官長到幾毫米之後就會停止生長，原因是沒有提供氧氣和營養的血管。目前，大多數科學家研製的腦類器官尚未形成功能性血管網路。向陽飛說，這也是他們團隊正在嘗試解決的問題。

儘管腦類器官與真正的大腦相差甚遠，但一個倫理問題已經受到關注：“培養皿中的類大腦”會最終產生意識嗎？

2020年10月，英國薩塞克斯大學（University of Sussex）認知神經科學家Anil Seth在《自然》（Nature）的播客中表示，不能排除腦類器官產生意識的可能性，如果腦類器官變得足夠複雜，它們所展示的活動可能會變得更加類似於有意識的人類的活動，但問題在於我們不知道什麼樣的複雜性會導致意識。

但大多數科學家認為腦類器官不會發展出意識。向陽飛表示：“目前體外培養的腦類器官並不具備產生意識的條件。除了腦類器官本身結構較為簡單、神經元數量遠遠少於真實大腦之外，腦類器官也缺乏與外界互動的能力。即便在體內移植，目前也並沒有證據表明移植後的動物會產生人類意識。”

“實際上，基於當前的技術水平，腦類器官出現意識的可能性可以忽略不計。當然，在腦類器官技術不斷發展的背景下，適當的倫理討論很有必要。”他說。

參考資料：

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