作为在实验室中通常利用人类干细胞培育出的大脑样组织三维球体，大脑类器官被吹捧为有潜力让科学家们在受控的实验室条件下研究大脑回路的形成。关于大脑类器官的讨论非常热闹，一些科学家认为它们将使得快速开发针对破坏性的脑部疾病的治疗方法成为可能，而另一些人则警告说，大脑类器官可能很快会获得某种形式的意识。

不过，在一项新的研究中，来自美国加州大学旧金山分校等研究机构的研究人员提出了一个更为克制的观点：广泛使用的大脑类器官模型无法复制大脑发育和组织结构的基本特征，更不用说模拟复杂脑部疾病或正常认知所需的复杂回路。相关研究结果发表在2020年2月6日的Nature期刊上，论文标题为“Cell stress in cortical organoids impairs molecular subtype specification”。论文通讯作者为加州大学旧金山分校神经学教授Arnold Kriegstein博士。论文第一作者为加州大学旧金山分校Kriegstein实验室博士后研究员Aparna Bhaduri博士和Madeline Andrews博士。

图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-1962-0。

Kriegstein说，“一些人将大脑类器官称为‘培养皿中的大脑’，但是我们的数据表明，这是一个极大的夸张。我们发现大脑类器官没有产生正常人脑回路所特有的独特性细胞亚型或区域性回路结构。由于大多数人类脑部疾病对大脑中特定的细胞类型和回路具有高度特异性，因此这对利用大脑类器官精确模拟这些复杂疾病的努力提出了严峻的挑战。”

这项新的研究源于Kriegstein实验室正在进行的研究工作，即在正常人类脑组织样本的基础上，全面绘制协调大脑发育的基因表达程序。Kriegstein实验室旨在构建出人类大脑发育的遗传图谱，作为将正常大脑发育与自闭症等大脑发育疾病中发生的差错进行比较的宝贵资源。

但是，当这些研究人员将来自发育中大脑的数据与Kriegstein实验室的大脑类器官模型进行比较时，他们很快就发现正常大脑组织中观察到的精心组织的发育程序在Kriegstein实验室的大脑类器官中受到显著破坏。

大脑类器官未能产生关键细胞类型和组织结构

这些研究人员测量了从37个不同的大脑类器官（通过使用三种不同的实验室流程和四种不同的起始干细胞系产生）中提取出的235000多个细胞中的基因表达，并将这些基因表达模式与他们在来自正常发育的人类大脑在不同发育时间点的一系列大脑区域的大约18.9万个脑细胞中观察到的情形进行比较。

这项分析表明大脑类器官细胞没有正常地分化为大脑中独特的细胞类型，而是似乎经历了身份危机：同时表达通常在非常不同类型的细胞中发现的基因。起初，这些大脑类器官形成了类似于发育中大脑的某些特征的细胞“玫瑰花状结构”，但是它们很快就溶入了混杂在一起的细胞大杂烩中。Kriegstein说，“我们能够鉴定出主要的细胞类型，但是缺乏在神经回路的正常功能中起关键作用的细胞亚型的正常多样性。”

为了确保这些结果扩展到在Kriegstein实验室之外使用的制备大脑类器官的其他常见方法，这些研究人员比较了科学文献中发表的八种不同类器官制备方法的单细胞基因表达数据（总共超过276000个细胞）与他们在发育中的大脑内构建出的正常基因表达图谱。在每种情形下，这些已发表的类器官显示出与Kriegstein实验室在他们自身的大脑类器官模型中观察到的相同结果：它们缺乏适当产生独特细胞类型的能力。