類腦器官研究發現自閉癥的新窗口

　　猶他大學健康中心的科學家說這些種子大小的器官是在實驗室里從人類細胞中培養出來的——提供了對大腦的洞察，并揭示了可能導致某些人自閉癥的差異。“我們過去認為，模擬大腦中細胞的組織太困難了，”Alex Shcheglovitov博士說，他是哈佛大學健康學院的神經生物學助理教授。“但這些類器官會自我組織。幾個月后，我們就能看到與人類大腦皮層相似的細胞層。”

　　這項描述類器官及其在理解神經疾病方面的潛力的研究將于今天(10月6日)發表在《自然通訊》(Nature Communications)雜志上，Shcheglovitov作為資深作者，他的實驗室前研究生Yueqi Wang博士作為主要作者。他們與博士后科學家Simone Chiola博士以及猶他大學、哈佛大學、米蘭大學和蒙大拿州立大學的其他合作者進行了這項研究。

　　調查自閉癥

　　通過這種方式建立大腦各方面模型的能力，使科學家得以一窺活體器官的內部運作，而這在其他情況下幾乎是不可能進入的。由于類器官是在培養皿中生長的，它們可以用大腦無法做到的方式進行實驗測試。

　　Shcheglovitov的團隊使用了一種創新的方法來研究一種與自閉癥譜系障礙和人類大腦發育相關的基因異常的影響。他們發現，經過工程改造的類器官具有較低水平的這種名為SHANK3的基因，具有獨特的特征。

　　盡管自閉癥器官模型看起來正常，但有些細胞沒有正常工作:

　　神經元極度活躍，對刺激的反應更頻繁，

　　其他跡象表明，神經元可能無法有效地將信號傳遞給其他神經元，

　　導致細胞相互粘附的特定分子通路被破壞了。

　　根據作者的說法，這些發現有助于揭示自閉癥相關癥狀的細胞和分子原因。他們還證明，實驗室培養的類器官對于更好地了解大腦、大腦是如何發育的，以及疾病期間發生了什么問題是有價值的。“一個目標是使用大腦器官來測試逆轉或治療疾病的藥物或其他干預措施，”Jan Kubanek博士說，他是該研究的合著者之一，也是美國生物醫學工程學院的助理教授。單一的神經蓮座衍生的類器官發育多種腦細胞類型，并具有從未在此類模型中見過的組織和神經活動。Simone Chiola博士選取了由人類干細胞形成的被稱為神經蓮座的放射狀結構。幾個月后，這些結構變成了模擬人腦各方面的球狀器官。

　　建立一個更好的大腦模型

　　科學家們長期以來一直在尋找適合人類大腦的模型。實驗室培養的類器官并不新鮮，但之前的版本沒有以可復制的方式發展，這使得實驗難以解釋。為了創建一個改進的模型，Shcheglovitov的團隊從大腦的正常發育中獲得線索。研究人員促使人類干細胞變成神經上皮細胞，這是一種特殊的干細胞類型，可以在培養皿中形成自我組織的結構，稱為神經蓮座（neural rosettes）。在幾個月的時間里，這些結構結合成球體，其大小和復雜性的增長速度類似于一個正在成長的胎兒的大腦發育。

　　Shcheglovitov說，在實驗室里待了5個月后，這些類器官讓人想起了懷孕后15到19周的“人類大腦的一條皺紋”。這些結構包含了在大腦皮層中發現的一系列神經細胞和其他類型的細胞，大腦皮層是大腦的最外層，涉及語言、情感、推理和其他高級心理過程。就像人類胚胎一樣，類器官以一種可預測的方式自我組織，形成神經網絡，隨著振蕩的電節律搏動，并產生不同的電信號，這是各種不同類型的成熟腦細胞的特征。

　　“這些類器官的電生理活動模式與大腦中的實際活動類似。我沒想到會這樣，”Kubanek說。“這種新方法以功能上有意義的方式模擬了大多數主要的細胞類型。”

　　Shcheglovitov解釋說，這些更可靠地反映大腦皮層復雜結構的類器官，將使科學家能夠研究大腦中特定類型的細胞是如何產生的，以及如何協同工作來執行更復雜的功能。

　　“我們開始了解人類大腦中復雜的神經結構是如何從簡單的祖先進化而來的，”Wang說。“我們能夠使用源自含有基因突變的干細胞的3D類器官來測量與疾病相關的表型。”他補充說，通過使用類器官，研究人員將能夠更好地研究神經疾病的早期階段，在癥狀出現之前發生了什么。

　　參考文獻:

　　Modeling human telencephalic development and autism-associated SHANK3 deficiency using organoids generated from single neural rosettes