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Brain丨下一代脑类器官:从细胞多样性到神经功能网络复杂性

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人脑的复杂性堪称生物学之最—数百种神经元亚型、精密的区域化架构,以及跨越脑区的动态功能网络,共同构成了认知与行为的物质基础。然而,传统二维细胞培养难以再现三维组织微环境,动物模型则在人类特有的发育时序和病理机制面前捉襟见肘。脑类器官(brain organoids)的出现,为弥合这一鸿沟提供了契机。

近日,中国科学院动物研究所刘长梅研究员/胡宝洋研究员团队在Brain杂志在线发表题为Next-generation brain organoids: neural complexity from cellular diversity to functional networks 的综述文章。文章围绕细胞多样性、功能复杂性、疾病建模、现存局限与未来方向五个主题展开【1】 ,系统梳理了利用脑类器官体系能做什么、还差什么,以及离临床还有多远。


一、细胞多样性与结构组织:从细胞亚型到区域身份

单细胞测序让类器官的细胞图景逐渐清晰。Velasco 等(2019)发现,人脑类器官可产生多种细胞群体,包括投射神经元和中间神经元亚型 【2】。但这些细胞多停留在早期发育阶段,与成人皮层单细胞研究已鉴定的16种神经元亚型相比仍有差距 【3】;加上发育不同步、状态混杂,很难把某一类放电特征单独归到特定亚型。

胶质细胞成熟更慢。星形胶质细胞要75-90天才出现,成熟标志物需24周左右;少突胶质细胞形成髓鞘需数月。小胶质细胞参与突触修剪,但免疫组分整合仍十分有限。

结构层面,血管化脑类器官能部分重现血管生长,移植到鼠脑可建立连接。但血管无真实血流,血脑屏障功能不成熟。常用Matrigel批次差异大,仿生基质是方向;基质力学性质也会影响脑区命运,不同硬度条件下脑区分化倾向有所差异。

区域身份也存在隐忧。FOXG1、OTX2等标志物缺乏统一质控标准,同一类器官内可能共存,形成“嵌合身份”。FGF8 等形态发生素的处理窗口同样关键-时机过早或过晚,都可能影响区域身份的正确建立。


图1 人脑类器官的细胞多样性

二、功能复杂性:网络活动能被记录,但“学习”尚无证据

多区域组装体(皮质-纹状体、中脑-纹状体、丘脑-皮质等)可形成远程轴突投射和功能性突触,并可通过钙成像、多电极阵列(MEA)和光遗传学技术进行记录。hASA 模型在体外重建了人类多突触感觉传递通路,整合体感、脊髓、丘脑和皮层四部分类器官 4; 高密度MEA可容纳26,400个电极 5,苯二氮䓬类药物能显著改变网络活动,其效应与新生皮层切片培养中的观察一致。

但该综述在功能评价上给出了明确界定:这些只是“基本可塑性”和“网络适应”,不是学习、记忆或更高认知过程。目前没有证据表明脑类器官具备与动物或人类相当的学习能力。建议把电生理活动与实际认知功能区分开,避免拟人化解读。


图2 功能复杂性与神经网络动力学

三、疾病建模与转化应用

类器官已用于多种疾病研究:缺血缺氧损伤中可模拟可模拟氧糖剥夺神经元损伤,并验证依达拉奉等药物的保护作用;神经发育障碍中,Pitt-Hopkins 类器官提示TCF4突变阻碍少突胶质细胞分化,ASD 组装体筛选出LNPK、CSDE1等调控基因;神经退行方面,血管化神经免疫类器官重现Aβ斑块、Tau病理和神经炎症 【6】,并用于评估lecanemab;感染方面,寨卡病毒可感染神经前体细胞,SARS-CoV-2可感染皮质神经元;脑肿瘤中,患者来源的胶质母细胞瘤类器官保留异质性和缺氧梯度,药物反应与临床相关性较好。药物筛选方面,一项概念验证研究已在iPSC来源的3D皮质神经球中测试了687种神经活性化合物【7】 ,验证了其作为高通量筛选平台的可行性。

综述还比较了人源建模平台的适用边界:诱导神经元(iN)速度快、均一性高,且保留了与衰老相关的表观遗传特征,适合研究细胞自主表型与晚发退行过程;但它跳过了顺序发育,无法体现神经前体细胞扩增和迁移,因此早期形态发生或迁移异常类疾病难以单独建模。


图3 疾病建模与治疗应用

四、现存局限

脑类器官目前无法重现以下现象:衰老人脑特征(限制晚发退行疾病建模)、功能完整血管系统(无真实血流,BBB 不完整)、完整免疫环境、感觉运动传入传出连接(功能读出局限在局部网络)、真实三维几何与激素影响(本质是简化模型)。

技术层面,成熟度、尺寸与异质性构成三项生物学约束:成熟度-多对应孕中期(约18-20周)的发育阶段;尺寸-直径通常限于数毫米,无血管化时随体积增大出现营养与氧扩散不足,导致缺氧坏死;异质性-需区分批次间差异与类器官内部差异,后者来自细胞组成、空间组织与发育状态三个维度。

该综述强调,这些局限并非削弱技术价值,而是在界定当前生物学解释与实验适用的边界。


图4 当前局限与技术挑战

五、未来方向:器官芯片、多器官整合与临床门槛

下一代脑类器官工程的重点包括:通过器官芯片等动态培养系统与新型材料提升灌注与BBB功能;利用患者iPSC开展个体化建模;引入progerin或诱导氧化应激以加速衰老表型,并通过APP突变模拟AD相关病理;构建整合免疫细胞与血管结构的组装体。

更宏观的方向是多器官整合—将脑类器官与肝、肺、心等器官连接,构建 body-on-a-chip(芯片上的多器官系统)平台,用于药物毒性筛选与跨器官过程(如肠-脑轴、肝性脑病等)研究。

临床转化需先跨三道门槛:动物模型中长期功能整合且无肿瘤形成;符合 GMP的标准化方案;大动物研究直至首次人体试验的安全性与有效性数据。在此之前,不宜宣称脑类器官已进入临床阶段。


图5 新前沿与未来方向

结语

脑类器官已展现出较高级别的结构组织与功能活动,是非常有前景的实验平台,但其能力仍处于概念验证阶段。该综述最后强调:始终保持“实验能”与“治疗可行性”的区分,是这一领域兼顾科学严谨性与负责任创新的前提。

原文链接: https://doi.org/10.1093/brain/awag332

制版人:十一

参考文献

1.Duan CH, Wang YK, Tang TS, et al. Next-generation brain organoids: neural complexity from cellular diversity to functional networks.Brain.Sep 28 2026;doi:10.1093/brain/awag332

2.Velasco S, Kedaigle AJ, Simmons SK, et al. Individual brain organoids reproducibly form cell diversity of the human cerebral cortex.Nature.Jun 2019;570(7762):523-527. doi:10.1038/s41586-019-1289-x

3.Lake BB, Ai R, Kaeser GE, et al. Neuronal subtypes and diversity revealed by single-nucleus RNA sequencing of the human brain.Science. Jun 24 2016;352(6293):1586-90. doi:10.1126/science.aaf1204

4.Kim JI, Imaizumi K, Jurjut O, et al. Human assembloid model of the ascending neural sensory pathway.Nature. Jun 2025;642(8066):143-153. doi:10.1038/s41586-025-08808-3

5.Ballini M, Muller J, Livi P, et al. A 1024-Channel CMOS Microelectrode Array With 26,400 Electrodes for Recording and Stimulation of Electrogenic Cells In Vitro.IEEE J Solid-State Circuits. Nov 2014;49(11):2705-2719. doi:10.1109/JSSC.2014.2359219

6.Ji Y, Chen X, Wang Z, et al. Alzheimer's disease patient brain extracts induce multiple pathologies in novel vascularized neuroimmune organoids for disease modeling and drug discovery.Mol Psychiatry.Oct 2025;30(10):4558-4575. doi:10.1038/s41380-025-03041-w

7.Boutin ME, Strong CE, Van Hese B, et al. A multiparametric calcium signal screening platform using iPSC-derived cortical neural spheroids.SLAS Discov.Jun 2022;27(4):209-218. doi:10.1016/j.slasd.2022.01.003

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