作為在實驗室中通常利用人類幹細胞培育出的大腦樣組織三維球體，大腦類器官被吹捧為有潛力讓科學家們在受控的實驗室條件下研究大腦回路的形成。關於大腦類器官的討論非常熱鬧，一些科學家認為它們將使得快速開發針對破壞性的腦部疾病的治療方法成為可能，而另一些人則警告說，大腦類器官可能很快會獲得某種形式的意識。

不過，在一項新的研究中，來自美國加州大學舊金山分校等研究機構的研究人員提出了一個更為克製的觀點：廣泛使用的大腦類器官模型無法複製大腦發育和組織結構的基本特征，更不用說模擬複雜腦部疾病或正常認知所需的複雜回路。相關研究結果發表在2020年2月6日的Nature期刊上，論文標題為“Cell stress in cortical organoids impairs molecular subtype specification”。論文通訊作者為加州大學舊金山分校神經學教授Arnold Kriegstein博士。論文第一作者為加州大學舊金山分校Kriegstein實驗室博士後研究員Aparna Bhaduri博士和Madeline Andrews博士。

Kriegstein說，“一些人將大腦類器官稱為‘培養皿中的大腦’，但是我們的數據表明，這是一個極大的誇張。我們發現大腦類器官沒有產生正常人腦回路所特有的獨特性細胞亞型或區域性回路結構。由於大多數人類腦部疾病對大腦中特定的細胞類型和回路具有高度特異性，因此這對利用大腦類器官精確模擬這些複雜疾病的努力提出了嚴峻的挑戰。”

這項新的研究源於Kriegstein實驗室正在進行的研究工作，即在正常人類腦組織樣本的基礎上，全麵繪製協調大腦發育的基因表達程序。Kriegstein實驗室旨在構建出人類大腦發育的遺傳圖譜，作為將正常大腦發育與自閉症等大腦發育疾病中發生的差錯進行比較的寶貴資源。

但是，當這些研究人員將來自發育中大腦的數據與Kriegstein實驗室的大腦類器官模型進行比較時，他們很快就發現正常大腦組織中觀察到的精心組織的發育程序在Kriegstein實驗室的大腦類器官中受到顯著破壞。

大腦類器官未能產生關鍵細胞類型和組織結構

這些研究人員測量了從37個不同的大腦類器官(通過使用三種不同的實驗室流程和四種不同的起始幹細胞係產生)中提取出的235000多個細胞中的基因表達，並將這些基因表達模式與他們在來自正常發育的人類大腦在不同發育時間點的一係列大腦區域的大約18.9萬個腦細胞中觀察到的情形進行比較。

這項分析表明大腦類器官細胞沒有正常地分化為大腦中獨特的細胞類型，而是似乎經曆了身份危機：同時表達通常在非常不同類型的細胞中發現的基因。起初，這些大腦類器官形成了類似於發育中大腦的某些特征的細胞“玫瑰花狀結構”，但是它們很快就溶入了混雜在一起的細胞大雜燴中。Kriegstein說，“我們能夠鑒定出主要的細胞類型，但是缺乏在神經回路的正常功能中起關鍵作用的細胞亞型的正常多樣性。”

為了確保這些結果擴展到在Kriegstein實驗室之外使用的製備大腦類器官的其他常見方法，這些研究人員比較了科學文獻中發表的八種不同類器官製備方法的單細胞基因表達數據(總共超過276000個細胞)與他們在發育中的大腦內構建出的正常基因表達圖譜。在每種情形下，這些已發表的類器官顯示出與Kriegstein實驗室在他們自身的大腦類器官模型中觀察到的相同結果：它們缺乏適當產生獨特細胞類型的能力。

Andrews說，“大腦將不同類型的細胞連接到高度結構化的區域獨特性的回路中的能力不僅對正常的大腦功能和認知至關重要，而且正是這些高度特異性的回路以不同的方式在自閉症、精神分裂症以及精神疾病和神經疾病等腦部疾病中發生差錯。”

Bhaduri補充說，“在我們可以使用大腦類器官來研究這些疾病並尋找可能的治愈方法之前，我們需要確保它們實際上是在模擬受影響的大腦回路。”

減少細胞應激可以改善大腦類器官模型

除了混亂的發育程序之外，大腦類器官模型均表達異常高水平的細胞“應激”基因，從而控製細胞對有害環境條件(如缺氧)的反應。這些研究人員假設這種加劇的細胞應激可能是由在實驗室中培養大腦類器官的方法所引起的，並且可能阻止這些類器官產生適當的神經細胞類型和區域組織結構。

為了驗證這一假設，這些研究人員從產生的大腦類器官中提取出細胞，並將它們植入小鼠的大腦，以消除因在實驗室培養皿中培養而引起的應激因素。在這種更加自然的環境中，這些大腦類器官細胞的應激水平迅速下降至正常水平，並且正常的發育程序開始重新發揮作用。相反，當他們獲取早期發育中的神經組織並嚐試讓它與他們的實驗室大腦類器官一起培養時，應激基因變得更加活躍，神經組織中的年輕神經元也出現了與實驗室大腦類器官相同的身份危機。

這些結果提示著神經科學家想要在大腦類器官中模擬複雜的大腦組織的努力將需要重新思考如何在實驗室中培養大腦類器官，以嚐試降低細胞應激水平。

Andrews說，“不同的研究團隊已經以多種不同的方式優化了大腦類器官的培養方式，因此，我們在來自不同實驗室的類器官中看到這些問題的事實表明，要改善類器官的產生方式很可能需要進行很大的改進。這絕非易事，但我希望這些結果以及Bhaduri在正常發育的大腦中的遺傳程序的獨特數據集能夠為這個領域指明正確的方向。”

這些研究人員強調大腦類器官在許多不需要精確模擬特定大腦回路或其功能障礙的研究中仍然是有用的工具，比如Bhaduri及其同事們在最近發表的一篇論文中使用大腦類器官作為一種在實驗室培養皿中研究膠質母細胞瘤侵襲性擴散的方法(Cell Stem Cell, 2020, doi:10.1016/j.stem.2019.11.015)。Bhaduri說：“但是，這項新的研究非常清楚地表明在實驗室裏，大腦類器官遠不能真正地複製發育中的大腦。”