文章标题：Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids【标题关键词】“organoids”(类器官)【参考译文】移植人皮质类器官的成熟与神经回路整合
【时间】2021年12月16提交，2022年8月25日接收，2022年10月12日在线发表【期刊】Nature（IF=69.50）【作者】Omer Revah（一作）， 美国斯坦福大学的Sergiu P. Pașca（通讯）...【研究模型/对象】人皮质类器官、小鼠
【研究背景】人干细胞培养的大脑类器官是模拟人类发育和疾病的一个很有潜力的平台。一直以来，人类胚胎研究都是很敏感的，相关研究都是对医学伦理的挑战。不过，最近十年间，英国、美国甚至日本的法律，都已相继允许在实验室里培养“人-动物”的器官嵌合体，包括“脑嵌合体”。根据美国科学院“科学、工程学与医学”委员会2021年“神经嵌合及类脑组织相关伦理、法律和规范——政策与全球事务”委员会发布的报告“类器官、神经移植与嵌合：一个正在涌现的领域”，目前人类干细胞在培养皿里生成的“类人脑”还很原始以致于不可能具有“意识”。
人类大脑的发育是一个自组织的过程，在这个过程中细胞进行增殖、分化、迁移和连接的同时形成了具有特异功能的神经回路，这些回路随后通过感觉体验进行细化【1】。了解人类大脑发育，特别是在疾病背景下的一个关键挑战是缺乏获取脑组织的途径【2】。通过将指导性信号应用于在三维（3D）培养中生长的人诱导多能干细胞（hiPS）细胞，可以产生类似于神经系统特定区域的自组织类器官，包括人类皮质类器官（hCO；也被称为人类皮质球状体）【2-6】。这可以理解为：我们可以制造出“人脑类器官”。
然而，这种人工制造出来“人脑类器官”缺点十分明显！我们不确实能否用它来研究神经回路的发生发展以及各项功能反应。
具体来说，因为它是在体外培养的，体外生长的类器官缺少在真实有机体中存在的各种连接，也就是说它缺乏体内的微环境和某些相关信号的刺激，这很可能会会影响hCO的成熟，准确说是限制类器官的成熟。此外，由于体外培养的hCO无法与其他控制行为的神经环路整合，即没有整合到连接肌肉的神经网络，自然不可以发出指令指导动作的产生，而神经精神疾病或人脑相关的疾病涉及的基因环境是非常复杂的（往往是因为多个基因发生突变），而且一般都会有特征性的行为来表征（比如癫痫表现为身体某一局部发生不自主抽动），所以我们不清楚这种人造类器官能否用来为这些疾病建模。那么就可以提出这样的问题：如果把用人类干细胞培养的“类人脑”嵌入幼鼠大脑，它如果与小鼠的神经元之间进行链接？如何影响小鼠的各种行为？
如果觉得我没解释清楚，请参考原文：Specifically, it is unclear whether maturation of hCO is constrained by the lack of certain microenvironments and sensory inputs that exist in vivo. Moreover, as hCO are not integrated into circuits that can generate behavioural outputs, their utility in modelling genetically complex and behaviourally defined neuropsychiatric diseases is currently limited.
先前在成年啮齿动物身上进行的研究表明，移植到啮齿动物皮层的人类神经元虽然突触和轴突的整合受到限制，但能够存活、投射并与啮齿动物细胞建立联系，而将人脑类器官植入成年大鼠的大脑后则无法完全成熟。【7-12】如果将来自hiPS细胞的人类皮质类器官（hCO）移植到新生的早期、可塑性发育阶段的免疫缺陷大鼠的大脑初级躯体感觉皮层（S1）中，由于体感皮层是负责从全身接收和处理感觉信息的脑区，包括触觉，所以神经网络丰富。而且这些组织在人类皮质类器官（hCO）植入后还会共同发育，应该可以更好的建立相应的神经突触联系，同时可以让人类皮质类器官（hCO）接收大鼠体内信号的刺激，达到模拟体内发育的效果。如果建模成功，还可为相关神经系统疾病建模。
将来自hiPS细胞的完整的人类皮质类器官（hCO）移植到新生的（出生后第3-7天）早期、可塑性发育阶段的免疫缺陷（无胸腺）大鼠的初级躯体感觉皮层（S1）中，如下图。这种方法可以在最大限度地整合t-hCO，transplanted hCO (t-hCO)，同时最小限度地损害大鼠大脑本身的发育。
实验流程：ips-hCO-移植-采样分析这里用黄色显示，其实移植的人类皮质类器官（t-hCO）都有绿色荧光标记，移植六个月后，我们就可以看到一个用荧光蛋白标记的人类类脑出现在大鼠的大脑中，如下图。
科研人员将人脑的“类组织”（绿光）移植到一只新生大鼠的脑内，创造了有神经交互作用的杂合脑
移植过后，科研人员对新组织进行核磁共振成像记录，同时取脑组织进行单细胞核RNA测序技术（snRNA-seq）分析。
1.植入的人类器官能在新生大鼠大脑中发育成熟，且能与大鼠神经环路整合，并在大鼠大脑中具有功能性通过对移植的人类皮质类器官（t-hCO）进行MRI扫描分析体积、形状等特性，同时分析其存活率、胶质细胞增生或脑电图等生理特征。发现和体外培养的hCO比较，移植的hCO发育更好，更成熟。各项分析表明t-hCO神经元经历了晚期成熟的过程。
和体外培养的hCO比较，移植的hCO发育更好，更成熟
说明移植的hCO可以在大鼠大鼠大脑里“成长”。而且这个“外来”的“人脑”能和大鼠的大脑可以契合在一起。2.植入的人类器官能接收大鼠体验到的感觉并做出反应植入的人类器官与大鼠习得行为之间可以建立关联，植入的神经元可以调节大鼠的神经元活动，并能诱导追求奖赏的行为。植入的人类器官中的一组神经元在转动大鼠胡须时出现了活动迹象，说明植入的神经元能对感觉刺激产生反应。
行为任务示意图：植入的人类器官hCO与大鼠神经元形成具有功能的连接，并调节行为
植入的人类器官已经成了大鼠大脑有机组成之一，可以协同执行功能。3.植入的人类器官可用来为相关神经疾病建模植入来源于三名蒂莫西综合征（Timothy syndrome，TS，一种与心脏问题有关的严重遗传病，在下图中用紫色标记）患者的细胞时，特定的神经元缺陷会被凸显出来，说明这种植入技术能揭示之前未知的疾病特征。该数据证明大鼠大脑内培养的移植的人类皮质类器官（t-hCO）可以模拟具有遗传复杂性和行为特征的神经精神疾病。
t-hCO的高级神经元特征揭示了人类皮质神经元中活动依赖的疾病表型，紫色为患者
来源于患者的移植的人类皮质类器官（t-hCO）具有患者的一些基本特征，那就说明我们可以用这个来模拟患者的大脑，用这个模拟的大脑进行相关研究，比如危险性较高的“试药”等等实验。不管进行什么实验，患者本身不用承担健康风险（费用肯定少不了，每个几百或上千万恐怕做不了，而且有失败的风险）。
“人-鼠”嵌合脑为研究和治疗健忘症和帕金森氏症这两种老年脑疾病提供了前景广阔的实验手段！研究结果或能提高我们构建人类神经精神疾病实际模型的能力。作者表示，该技术或能作为一种很强大的资源，补充对人脑发育和疾病的实验室研究。进一步研究也许能让我们利用患者来源的细胞揭开本来无从了解的疾病特征。参考文献：
1. Kelley, K. W. & Pașca, S. P. Human brain organogenesis: toward a cellular understanding of development and disease. Cell 185, 42–61 (2021).2. Pasca, A. M. et al. Functional cortical neurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture. Nat. Methods 12, 671–678 (2015). 3. Valesco, S. et al. Individual brain organoids reproducibly form cell diversity of the human cerebral cortex. Nature 570, 523–527 (2019). 4. Qian, X. et al. Brain-region-specific organoids using mini-bioreactors for modeling ZIKV exposure. Cell 165, 1238–1254 (2016). 5. Yoon, S. J. et al. Reliability of human cortical organoid generation. Nat. Methods 16, 75–78 (2019). 6. Birey, F. et al. Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids. Nature 545, 54–59 (2017). 7. Espuny-Camacho, I. et al. Pyramidal neurons derived from human pluripotent stem cells integrate efficiently into mouse brain circuits in vivo. Neuron 77, 440–456 (2013). 8. Linaro, D. et al. Xenotransplanted human cortical neurons reveal species-specific development and functional integration into mouse visual circuits. Neuron 104, 972–986. 9. e6 (2019). Mansour, A. A. et al. An in vivo model of functional and vascularized human brain organoids. Nat. Biotechnol. 36, 432–441 (2018). 10. Real, R. et al. In vivo modeling of human neuron dynamics and down syndrome. Science 362, eaau1810 (2018). 11. Kitahara, T. et al. Axonal extensions along corticospinal tracts from transplanted human cerebral organoids. Stem Cell Rep. 15, 467–481 (2020). 12. Xiong, M. et al. Human stem cell-derived neurons repair circuits and restore neural function. Cell Stem Cell 28, 112–126.e6 (2021). 13. Kichula, E. A. & Huntley, G. W. Developmental and comparative aspects of posterior medial thalamocortical innervation of the barrel cortex in mice and rats. J. Comp. Neurol. 509, 239–258 (2008). 14. Ebert, D. H. & Greenberg, M. E. Activity-dependent neuronal signalling and autism spectrum disorder. Nature 493, 327–337 (2013). 15. Trujillo, C. A. et al. Complex oscillatory waves emerging from cortical organoids model early human brain network development. Cell Stem Cell 25, 558–569.e7 (2019). 16. Hrvatin, S. et al. Single-cell analysis of experience-dependent transcriptomic states in the mouse visual cortex. Nat. Neurosci. 21, 120–129 (2018). 17. Ataman, B. et al. Evolution of osteocrin as an activity-regulated factor in the primate brain. Nature 539, 120–129 (2016). 18. Hong, E. J., McCord, A. E. & Greenberg, M. E. A biological function for the neuronal activity-dependent component of Bdnf transcription in the development of cortical inhibition. Neuron 60, 610–624 (2008).
原文：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05277-w=欢迎点赞分享及底部留言指导=
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