「Nature」斯坦福大學將「迷你人腦」植入小鼠，開創類器官研究新時代

分類：科學

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2022-10-13

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作者：Sophia

導讀：科學家們想使用從人類幹細胞中生長出來的微小的大腦樣結構——大腦類器官，以研究人類發展的神經退行性和神經精神疾病。但到目前為止，類器官只模仿了人類的大腦。它們不發育血管，因此無法獲得營養，這意味着它們不會長時間茁壯成長。而且它們沒有得到充分成長所需的營養成分：在人類嬰兒的大腦中，神經元的生長和與其他神經元連接的發展部分來自於感官的輸入。

最新一項研究表明，移植到老鼠體內的微型人類大腦結構可以發送信號並對老鼠鬍鬚拾取的環境線索做出反應。這一證明人類幹細胞生長的神經元可以與活嚙齒動物的神經細胞相互作用，從而可能會產生一種測試人類大腦疾病療法的方法。該研究發表於期刊《Nature》。

https://www.nature.com/articles/d41586-022-03238-x

重大發現

為了給大腦類器官提供這種刺激和支持，加利福尼亞州斯坦福大學的神經科學家 Sergiu Pasca 和他的同事們從人類幹細胞中培養出這些結構，然後將它們注射到新生幼鼠的大腦中，期望人類細胞會隨着老鼠自己的細胞生長而生長。該團隊將類器官放置在稱為體感大腦皮層的大腦區域中，該區域接收來自大鼠鬍鬚和其他感覺器官的信號，然後將它們傳遞到其他解釋信號的大腦區域。

人類腦細胞的成熟速度比大鼠細胞要慢得多，因此研究人員必須等待六個多月才能使類器官完全融入大鼠大腦。但當他們在那段時間結束時檢查動物的大腦時，他們發現集成非常成功，幾乎就像在電路中添加了「另一個晶體管」。

Paola Arlotta 興奮的說：「這是類器官告訴我們大腦更複雜特性的重要一步，儘管移植程序可能仍然過於昂貴和複雜，無法成為標準的研究工具。」Arlotta 補充說，「下一步將是研究單個人類神經元，而不僅僅是完全發育的類器官是如何整合到大鼠大腦中的。」

行為觸發器

研究人員描述了他們如何對類器官中的神經元進行基因改造，該團隊訓練老鼠在開燈時舔嘴以接收水。之後，當研究人員將光照射到混合大腦上時，老鼠被提示舔嘴，這意味着人類細胞已經整合得足夠好，可以幫助驅動動物的一些行為。此外，當研究人員調整老鼠的鬍鬚時，他們發現感覺皮層中的人類細胞會發出反應，這表明這些細胞能夠獲取感覺信息。

由幹細胞產生並移植到大鼠大腦中的人類神經元（右）比培養皿中培養的神經元（左）生長得更充分。

為了證明他們在研究腦部疾病方面的工作前景，Pasca 和他的同事們還從三名患有蒂莫西綜合征（Timothy 綜合征）的人的幹細胞中創建了腦類器官，這種情況可能會導致與自閉症相似的癥狀。這些微小的結構看起來與培養在培養皿中的任何其他大腦類器官相同，但是當研究人員將它們移植到大鼠體內時，它們並沒有長得像其他的那麼大，它們的神經元也不會以同樣的方式放電。

Rusty Gage 很高興看到這些結果。2018 年，他和一組研究人員發現，移植的人腦類器官可以整合到成年小鼠的大腦中。小鼠的壽命不如大鼠，但新生幼鼠的大腦比成年動物的大腦更具可塑性，因為它們能夠更好地接收新細胞。

道德挑戰

「我們面臨著挑戰，」蓋奇說。「但我確實相信移植程序將是一個有價值的工具。」

有些挑戰是道德的。人們擔心創造嚙齒動物和人類的雜交種可能會傷害動物，或者創造出具有人類大腦的動物。去年，由美國國家科學院、工程院和醫學院組織的一個小組發佈了一份報告，得出的結論是，人腦類器官仍然過於原始，無法變得有意識、無法獲得類似人類的智能或獲得其他可能需要法律監管的能力。帕斯卡說，他的團隊的類器官移植不會導致大鼠癲癇發作或記憶力減退等問題，而且似乎也沒有明顯改變動物的行為。

但國家科學院小組成員阿洛塔表示，隨着科學的進步，問題可能會出現。我們不能只討論一次就任其發展，需要權衡未來醫學對人體類器官的擔憂與神經和精神疾病患者的需求。大腦類器官和人類-動物混合大腦可以揭示這些疾病的潛在機制，並允許研究人員測試精神分裂症和雙相情感障礙等疾病的治療方法。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/d41586-022-03238-x

註：本文旨在介紹醫學研究進展，不能作為治療方案參考。如需獲得健康指導，請至正規醫院就診。