Cell Stem Cell | 早期人脑网络发育类器官模型

人脑是人体中最复杂的器官之一。对脑内细胞所形成的神经网络的研究是神经生物学家们揭开学习、记忆等等人类行为的重要基础。但是由于神经网络的复杂性以及对于完整胚胎大脑进行电生理学等方面的直接研究涉及到伦理问题，科学界对于一个优良的体外研究模型的需求呼之欲出。人体中复杂的动态神经网络在发育的早期就已经出现，但是神经网络最初的塑造与发展是在产前还是在其后的发育过程中逐渐建立起来的还很不清楚。

 

为了对神经网络早期的建立过程进行研究并提供良好的模型系统，近日，加州大学圣地亚哥分校Alysson R. Muotri研究组在Cell Stem Cell杂志上发表了题为“Complex Oscillatory Waves Emerging from CorticalOrganoids Model Early Human Brain Network Development”的文章，使用皮层类器官对人类大脑进行研究，从而提供了一个能够模拟早期胚胎电生理以及神经网络建立的类器官模型。

 

诱导多能干细胞产生的类器官能够在更小尺寸范围以及同样具有3D结构的情况下模拟多种细胞水平和分子水平的脑部发育过程【1,2】。近年来类器官的研究主要集中在对其细胞种类的多样等方面【3】，但是这些类器官是否能够模拟人类脑部形成过程中复杂的、具有功能的神经网络还没有太多证据。因此，类器官能否作为研究神经网络的适合模型还未有定论【4】。

 

因此，作者们首先希望建立具有功能的皮层类器官。为了验证培养的类器官是否是真正具有功能的神经网络，Muotri研究组参考了关于皮质的特化过程方面的研究（图1）。在分化的最初阶段，神经祖细胞大量存在，并且会自组装形成一个具有极性的神经上皮类似结构【2】。随后，类器官的尺寸逐渐变大，部分神经祖细胞会发育形成成熟的神经元、中间神经祖细胞以及表达不同标志物的皮层神经元。

图1 皮层类器官神经网络形成以及类器官的皮层特化过程

为了确认皮层类器官发育过程中逐渐形成的细胞种类多样性，作者们分别在皮层类器官培养的一个月、三个月、六个月以及十个月的时间点对类器官进行单细胞RNA测序。基于不同细胞种类的细胞标记物作者们发现类器官中主要的包括五种细胞：神经祖细胞、中间神经祖细胞、胶质细胞、谷氨酸能神经元以及γ-氨基丁酸能神经元（图2）。γ-氨基丁酸能神经元最初在六个月的时间点出现以及十个月培养过程中逐渐积累，在神经元成熟过程的第十个月时间点大概能达到总共细胞比例的15%，这与之后体内发育过程中的大致比例相似【5】。为了进一步证明该皮层类器官的功能性，作者们检测了其中的γ-氨基丁酸能神经元产生γ-氨基丁酸的能力，通过液相色谱与质谱联用的方式检测后发现在神经元成熟过程的第六个月不仅可以检测到γ-氨基丁酸的产生，其产生的浓度与生理浓度也是具有一定的相关性的。这些证据有表型，体外培养的皮层类器官具备作为产生神经网路的基本条件，也是其作为模型系统的初步证据。

图2 对不同时间点的皮层类器官进行单细胞RNA测序检测其细胞多样性

通过对长期培养的皮层类器官进行电生理学方面的研究，发现在10个月的过程中，皮层类器官表现出持续的电活动增加（图3）。并且同时作者们通过药物干预的实验进一步验证了皮层类器官中的γ-氨基丁酸能神经元与谷氨酸能神经元突触传递功能正常并参与形成正常的神经网络。并且作者们通过将长期培养的皮层类器官与已有的一些早产儿脑电波记录以及成年人的脑电波信号进行比较后发现，虽然皮层类器官并不能表现出成年人大脑持续的、去同步化的脑电波信号，但是培养28周之后的皮层类器官与早产儿的大脑电信号具有一定的一致性。

图3 皮层类器官长期培养过程中电活动增加

总的来说，Muotri研究组建立的皮层类器官系统对于研究人类早期神经网络的发育过程提供了重要的工具，对于发育过程中神经元的表达谱以及细胞组成方面的研究也同样提供了新颖的模型。虽然该皮层类器官不能完全代表大脑在体内发育过程，但是由于其尺寸远远小于人类大脑并且其中的细胞多样性和成熟度、神经网络的稳健性以及神经元的功能等方面的数据表明，皮层类器官的确可以用于模拟人脑早期发育的研究，为神经系统早期发育过程以及相关的疾病机理研究提供了一个小规模的实验模型。

 

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.stem.2019.08.002

制版人：小娴子

 

参考文献

1. Kelava, I.& Lancaster, M. A. Stem Cell Models of Human Brain Development. Cell stem cell 18, 736-748, doi:10.1016/j.stem.2016.05.022 (2016).

2. Pasca,A. M. et al. Functional corticalneurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture. Nature methods 12, 671-678, doi:10.1038/nmeth.3415 (2015).

3. Birey,F. et al. Assembly of functionallyintegrated human forebrain spheroids. Nature 545, 54-59, doi:10.1038/nature22330(2017).

4. Pasca,S. P. The rise of three-dimensional human brain cultures. Nature 553, 437-445,doi:10.1038/nature25032 (2018).

5. Uylings,H. B. About assumptions in estimation of density of neurons and glial cells. Biological Psychiatry 51, 840-842; author reply, 842-846,doi:10.1016/s0006-3223(02)01330-6 (2002).