Nature | 突破脑类器官移植限制：人源神经组织在小鼠脑内大规模生长并建立功能性连接

撰文 |Sure

人类大脑的发育过程复杂，很多关键事件无法直接在活体人脑中研究。近年来，研究人员利用hiPS细胞培养出人类大脑皮层类器官（human cortical organoid，hCO），能够在体外模拟部分人类皮层发育过程，包括神经祖细胞增殖、不同神经元的依次产生以及胶质细胞形成【1-3】。然而，传统脑类器官存在明显局限：缺乏完整的血管、真实的感觉输入和长距离神经连接，神经元的成熟程度也相对有限。此前研究发现，将人类皮层类器官移植到新生大鼠脑内，可以显著促进人源神经元成熟，并使其与宿主建立神经连接。但这种方法仍然受到两个限制。其一，宿主原有的大脑皮层占据了大量空间，限制移植组织的持续生长和大范围轴突投射。其二，人类神经元的发育速度远慢于啮齿类神经元。当人源神经元仍处于早期发育阶段时，宿主自身的皮层环路已经相对成熟，可能限制人源组织形成独立而复杂的神经网络。

近日，来自美国斯坦福大学的Sergiu P. Pașca课题组在Nature上发表了研究论文Developmental xenocortication using human-derived organoids in mice。该研究团队提出了一个新的研究思路：如果在小鼠胚胎发育早期去除大部分自身皮层，再将人类皮层类器官移植到空出的区域，是否能够允许人源皮层大规模生长、形成复杂的神经连接，并对宿主行为产生影响？通过这个设想，作者建立了一种由人源脑类器官大范围替代小鼠自身大脑皮层的活体模型。

以往的脑类器官移植研究已经证明，人源神经元可以在动物脑内存活、成熟并建立连接。因此，作者没有重复验证移植的基本可行性，而是直接针对先前研究的主要限制：宿主皮层与移植物之间的空间和连接竞争。作者希望在宿主脑发育早期去除原有皮层，但同时保留丘脑、基底神经节和脑干等结构，使人源皮层仍然能够接受来自宿主的神经输入，并向其他脑区输出信号。他们通过遗传方法诱导脑皮层祖细胞在发育早期死亡，从而去除小鼠大部分皮层，同时引入重症联合免疫缺陷遗传背景，降低宿主对人源移植组织的免疫排斥。作者将这种方法建立的模型称为皮层缺失小鼠（apallial mice）。经过繁育和幼鼠饲养条件优化，这些小鼠能够存活到成年，使作者可以开展长期移植和行为研究。随后，作者利用磁共振成像和全脑snRNA-seq验证模型，结果发现大部分新皮层和海马被去除，但保留了许多可与移植物建立连接的宿主神经结构。杏仁核和梨状皮层等腹侧、外侧端脑衍生结构仍然存在。建立模型后，作者将4个人类皮层类器官移植到新生皮层缺失小鼠脑内，并将这一过程称为异种皮质重建（xenocortication）。移植后形成的小鼠称为异种皮质（xenocortical，XCX）小鼠。在29只小鼠和3种人诱导多能干细胞系的实验中，移植成功率达到86.2%。磁共振成像结果进一步显示，移植后第2个月到第3个月之间，人源组织体积增长约4.7倍。在移植后3个月，人源组织平均占这些小鼠全部皮层组织体积的91.9%。这与传统在完整宿主皮层中进行局部移植明显不同，说明去除宿主皮层确实为人类类器官提供了大规模生长的空间。

接下来作者继续回答：这些大规模生长的人源组织，是否真的形成了接近人类发育期皮层的细胞结构和神经网络？作者首先通过snRNA-seq和空间转录组系统分析移植组织的细胞组成。结果发现，移植物包含多种人类皮层发育相关细胞，包括：不同亚型的放射状胶质细胞和中间祖细胞、多种皮层谷氨酸能兴奋性神经元、少量人源及宿主来源的GABA能抑制性神经元，以及人源星形胶质细胞。移植组织中约1.8%的细胞仍处于增殖状态，与人类妊娠中期皮层的相关数据相近。进一步将移植神经元的转录组与人类胎儿皮层比较，发现培养分化24周的移植神经元，其成熟程度大致相当于人类妊娠中期偏晚阶段。这说明移植组织不仅能够长期存活，还在一定程度上保留了人类皮层特有的发育时间进程。不过，移植物并没有形成贯穿整个组织的正常六层皮层结构，而是在局部区域出现不同皮层神经元的空间聚集，提示它具有一定程度的局部自组织能力。特别值得注意的是，移植物产生了较多第五层端脑外投射神经元（layer 5 extratelencephalic，L5-ET），其比例超过既往脑类器官移植模型的3倍。作者还发现少量具有von Economo神经元（VENs）相关分子特征和形态的细胞。这些特殊神经元在传统体外脑类器官中极少出现，提示新的移植环境可能有利于部分人类皮层特殊细胞类型的发育。通过顺行和逆行病毒追踪，作者还发现移植物能够接收来自宿主梨状皮层、丘脑和苍白球等区域的神经输入，同时向上丘等脑区发送轴突。进一步分析还在宿主颈段脊髓中发现了稀疏的人源神经轴突，而传统完整皮层移植模型中没有检测到相同投射，说明扩大移植空间可能有助于人源神经元形成长距离连接。除了发现人源组织与宿主建立神经连接，作者还通过活体钙成像观察到大范围同步神经活动，并发现部分活动与小鼠口面部运动存在时间相关性。这些结果表明，大规模人源皮层移植物不仅能够产生多种具有发育期人类皮层特征的细胞，还能够形成长距离轴突投射、接受宿主神经输入，并建立具有自发电活动的神经网络。

解剖连接和神经活动并不能直接证明移植物已经能够有效控制宿主行为，因此作者进一步开展功能验证。通过比较正常小鼠、皮层缺失小鼠和接受人源皮层移植的 XCX小鼠的自发行为，作者发现皮层缺失显著改变了整体行为模式，而人源移植能够改变这些异常，但并不能使行为完全恢复正常。随后，行为实验发现三组小鼠的基本运动能力正常，但皮层缺失小鼠存在精细步态协调异常，部分指标在XCX小鼠中得到改善。在Y形迷宫工作记忆实验中，正常和XCX小鼠均表现出高于随机水平的自发交替行为，而皮层缺失小鼠没有表现出相同结果。不过，在恐惧条件化实验中，XCX小鼠仍然存在明显缺陷。这些结果说明，人源移植物能够部分改善与皮层缺失相关的运动协调和工作记忆异常，但尚不能全面恢复正常皮层功能。

在证明移植物能够影响部分宿主行为后，作者希望验证这一平台能否将人类神经组织的细胞损伤与动物整体行为变化联系起来，因此选择了与神经发育损伤相关的缺氧模型。作者将XCX小鼠暴露于5%氧气环境5小时，发现人源移植物中出现明显的HIF-1α信号，同时伴随血管相关影像变化，以及小胶质细胞和星形胶质细胞的密度及形态变化。进一步的步态分析显示，缺氧后的XCX小鼠出现明显的三足或四足同时支撑增加，以及足部接触时间和面积变化，而整体运动速度和步频没有明显改变。这些结果说明，XCX模型能够同时呈现人源皮层的缺氧应激反应和可量化的宿主行为变化，但目前尚不能确定所有行为改变均由人源神经元损伤直接导致。

总的来说，本研究通过遗传性去除小鼠大部分自身皮层，实现了人源脑类器官的大规模移植，人源移植物能够产生多样化的人类皮层神经元、建立长距离神经连接和自发电活动，并部分改善宿主的运动协调和工作记忆。进一步利用缺氧模型，作者证明该平台能够将人源神经组织的损伤反应与动物行为变化联系起来，为在活体环境中研究人类大脑发育、神经系统疾病及潜在治疗方法提供了新的实验平台。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-026-11032-2

制版人： 十一

参考文献

1. Pașca, S. P. et al. A nomenclature consensus for nervous system organoids and assembloids.Nature609, 907–910 (2022).

2. Pașca, S. P. et al. A framework for neural organoids, assembloids and transplantation studies.Nature639, 315–320 (2025).

3. Revah, O. et al. Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids.Nature610, 319–326 (2022).

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