Nature子刊：神经生物学重要突破

可模拟大脑的微小人类细胞球

最近，斯坦福大学医学院的研究人员发明了一种方法，生成球状的、自由浮动的人脑细胞球，可模拟大脑皮层的结构。这个球体包含功能性神经元、起作用的突触，甚至称为星形胶质细胞的关键支持细胞（可维持神经功能）。它们表达基因的模式，也类似于妊娠期胎儿大脑。相关研究结果发表在五月二十五日的《Nature Methods》。

　　

生物通报道：人类的大脑是一个高度组织化的三维细胞团块，负责我们的每一个举动、思想和情感。它包裹在颅骨内，也相对闭塞，因此使得它很难研究。延伸阅读：大脑生长必不可少的脂肪。

最近，斯坦福大学医学院的研究人员发明了一种方法，生成球状的、自由浮动的人脑细胞球，可模拟大脑皮层的结构。这个球体包含功能性神经元、起作用的突触，甚至称为星形胶质细胞的关键支持细胞（可维持神经功能）。它们表达基因的模式，也类似于妊娠期胎儿大脑。

研究人员希望，随着时间推移跟踪皮层样球状体的发展，并观察它们的细胞之间的相互作用，可能阐明人类大脑发育和神经精神疾病的分子原因（如自闭症和精神分裂症）。

精神病学和行为科学助理教授Sergiu Pasca博士说：“了解精神疾病的一个主要问题在于，我们不能直接进入人类大脑。这些球状体酷似皮质的三维结构，它可模仿胎儿发育大脑的基因表达模式。”

以前曾经有研究试图制备患者特异性的神经组织，已经生成了未成熟神经元的二维克隆，但不能产生功能性突触，或者细胞需要在一个外部矩阵上，经过一系列艰苦和技术困难的步骤才能生长。

相反，研究人员发现，使用一个单一的人类皮肤样本，他们可以很容易地产生成百上千个 “大脑球体”。这些球体直径为5毫米大，可在实验室中保存九个月以上。它们表现出复杂的神经网络活性，并可在动物模型中利用娴熟的技术进行研究。

相关研究结果发表在五月二十五日的《Nature Methods》，Pascal是本研究的资深作者。博士后Anca Pasca和研究生Steven Sloan是论文共同第一作者。

本文共同作者、神经生物学、发育生物学和神经学教授Ben Barres博士称：“这种新方法的力量和前景是非凡的。例如，对于大脑发育障碍来说，我们可以取任何一名患者的皮肤细胞，几乎是在培养皿中重现了他们大脑的发育，以查明出错的确切步骤，以及如何加以纠正。如阿尔茨海默病，我们同样可以通过这种手段，确定神经元或神经胶质细胞是否有异常，是什么发生了故障。现在我们可以不以小鼠作为模型，而是产生来自几乎任何疾病患者的功能性神经元和神经胶质细胞。”

寻找一个好的模型
缺乏一个很好的模型来研究人类大脑发育和功能，使得研究人员很沮丧，之后他们开始着手寻找解决办法。虽然像功能磁共振成像这样的技术，能使科学家们广泛地可视化大脑活动，但是我们仍不能近距离地观察大脑功能所必需的复杂神经网络。死后组织可以反映大脑的结构，但不是功能。

Sergiu Pasca说：“我是一个神经生物学家。我需要研究正在放电的神经元。”

研究人员首先利用五个人的皮肤，制备了七个批次的诱导多能干细胞（iPS细胞）。在特定条件下，iPS细胞能够转化为几乎所有的人体组织。他们将iPS细胞培养成为实验室培养皿表面的扁平、多细胞克隆。然后研究人员仔细分离了完整的细胞克隆，将它们转移到特殊的实验室培养皿，这种培养皿经过处理，使细胞很难粘附在上面。几小时内，细胞克隆开始重重折叠成球体状。然后他们用生长因子和小分子相结合，来处理细胞，以促使它们发育为神经祖细胞。七周后，球体中近80%的细胞表达由神经组织制造的一个蛋白。此外，大约7%的细胞表达另一种蛋白，是由星形胶质细胞特异性产生的。

Pasca说：“星形胶质细胞对于神经信号，真的是必不可少的。但是同时有效地制造神经元和星形胶质细胞，一直都存在挑战。直到现在，研究人员一直都依赖于来自啮齿类动物或人类胎儿组织的星形胶质细胞，并试图利用它们培养神经元。”

当人类大脑皮质球状体（hCSs）被切片时，它们表现出类似于人类大脑皮层的结构。Pasca说：“与单层培养形成对比，我们观察到，hCSc中的特定类型神经元细胞有一种有序的三维结构。”

可能带来的新见解
研究人员发现，该组织主要是由细胞自身驱动的。

Pasca说：“在我们进行这项研究之前，如果有人问我，它是否将真的重现人类大脑皮层，我会说，它需要各种特定的分子线索和许多其他我们甚至不知道的条件。但在现实中，一旦程序开始，并且几个条件都满足了，细胞自己会完成剩下的工作。”

人类皮质球状体的最终测试是，切片和执行功能测试。研究人员发现，当被刺激时，球体中高达80%的神经元能够放电。此外，86%的神经元表现出自发的神经信号，并参与神经网络活动。

Pasca说：“我们像对小鼠大脑切片那样对待这些球体，并试图回答功能性问题。我们发现，如果我们刺激切片的一侧，我们可以在另一侧记录皮层活动。”

研究人员希望他们的这项研究，将为许多研究人类大脑发育和功能的科学家，提供一个发射点。从长远来看，他们希望帮助各种神经精神障碍患者。

Pasca说：“我是一名通过培训的医师。我们可以为精神病患者提供的治疗选择往往很有限。利用患者自身的细胞，探讨培养皿神经元和神经胶质细胞的功能，以及网络活动，有可能为精神疾病及其治疗带来新的见解。”

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Functional cortical neurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture
Abstract: The human cerebral cortex develops through an elaborate succession of cellular events that, when disrupted, can lead to neuropsychiatric disease. The ability to reprogram somatic cells into pluripotent cells that can be differentiated in vitro provides a unique opportunity to study normal and abnormal corticogenesis. Here, we present a simple and reproducible 3D culture approach for generating a laminated cerebral cortex–like structure, named human cortical spheroids (hCSs), from pluripotent stem cells. hCSs contain neurons from both deep and superficial cortical layers and map transcriptionally to in vivo fetal development. These neurons are electrophysiologically mature, display spontaneous activity, are surrounded by nonreactive astrocytes and form functional synapses. Experiments in acute hCS slices demonstrate that cortical neurons participate in network activity and produce complex synaptic events. These 3D cultures should allow a detailed interrogation of human cortical development, function and disease, and may prove a versatile platform for generating other neuronal and glial subtypes in vitro.