這篇文章介紹的工作是利用人體的胚胎干細胞培育出了半組織化的神經組織節(jié)，而且其中還含有多個人類大腦關鍵部位的雛形，比如海馬區(qū)（hippo campus）和額前皮質區(qū)（prefrontal cortex）等。這一團細胞比蘋果核大不了多少，我們就叫它類腦組織（cerebral organoids）吧。在本周出版的《自然》（Nature）雜志上刊登了一篇文章，雖然文章的作者很謹慎地使用了“類腦組織”這樣一個比較含蓄的詞，但還是無法平復廣大從事神經科學研究的科研人員看到這篇文章之后激動的心情。德國馬克斯普朗克分子細胞生物學及遺傳學研究所（Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics in Dresden， Germany）的神經科學家Wieland Huttner并沒有參與這篇論文的工作，他評價說：“我覺得這項工作太神奇了。

雖然他們得到的并不是一個真正的人腦組織，但是他們的這個類腦組織還是成功地復制出了很多人類大腦的結構和特征，這讓我大吃了一驚。“這篇文章的作者是奧地利維也納的發(fā)育遺傳學家Madeline Lancaster等人，她們不僅構建了這個類腦組織，還用這個組織研究了遺傳性腦疾病的發(fā)育異常機制。在Lancaster實驗室的培養(yǎng)皿里，胚胎干細胞可以分化出各種組織細胞，比如跳動的心肌細胞、神經元細胞、甚至還有毛發(fā)細胞核牙齒等?？茖W家們希望充分利用胚胎干細胞的這種全能分化潛力，得到各種組織，供我們研究或者臨床治療所用。據德國慕尼黑路德維希大學（Ludwig Maximilian University of Munich in Germany）專門研究神經發(fā)育的Magdalena G？tz介紹，科學家們早就知道胚胎干細胞一定能夠分化出神經組織，科研人員們也在實驗室里用胚胎干細胞培育出了各種各樣的神經細胞。不過這一次報道的這種類腦組織還是讓大家頗為興奮，因為在這個類腦組織里出現了類似于真正大腦里的神經細胞組織結構，這可謂是一大突破。

Lancaster是Knoblich的一名博士后，她主要的研究工作就是培養(yǎng)尚處于發(fā)育初期的神經組織，以便更好地了解正在發(fā)育中的神經細胞在什么時候、如何從增殖狀態(tài)轉換到分化狀態(tài)，分化出整個大腦組織的醫(yī)學|教育網搜集整理。Lancaster的工作是在奧地利科學院維也納分子生物技術研究所（Institute of Molecular Biotechnology of the Austrian Academy of Science in Vienna）的發(fā)育遺傳學家Jürgen Knoblich的實驗室里完成的。這項工作充分利用了Knoblich所謂的“人體發(fā)育細胞的強大自我組織能力”。按照該理論，只要我們給細胞提供足夠的營養(yǎng)，它們就能自己搞定一切。該工作也借鑒了日本神戶RIKEN發(fā)育生物學中心（RIKEN Center for Developmental Biology in Kobe， Japan）的Yoshiki Sasai等人前期的工作成果。Sasai等人在2008年曾經報道過，體外培養(yǎng)的小鼠和人體的胚胎細胞會自發(fā)形成細胞層，這些細胞層與真正動物大腦里的皮層結構非常相似。

Lancaster先借助Sasai等人開發(fā)的技術，讓正在分裂的胚胎干細胞朝著神經組織的方向定向發(fā)育，但是據她自己介紹，她也對另外一個科研小組采用的基質膠（Matrigel）液滴培養(yǎng)法很感興趣，因為細胞在這種凝膠狀的蛋白基質中可以立體式地生長。于是Lancaster將一大團胚胎干細胞分化而來的神經細胞包埋進了基質凝膠當中。不出所料，細胞在凝膠中越長越大，而且在沒有任何外源誘導刺激的情況下也逐漸發(fā)育出了更加復雜的結構。為了能夠讓內層的細胞也有比較充分的氧氣和養(yǎng)料供應，Lancaster將培養(yǎng)皿放到了搖床上，用緩慢震蕩的方式解決了這個問題。幾個星期之后，Lancaster等人就注意到在某些細胞團處出現了顏色比較深的色素斑。經過仔細觀察發(fā)現，這就是眼組織的雛形，這也就意味著今后可能會形成更加復雜的神經結構。

Lancaster在實驗室的例會上匯報了這一工作進展，Knoblich聽到這個消息之后興奮極了，當晚甚至都失眠了。之后實驗室的其他人員也對該類腦組織進行了仔細的觀察，結果又發(fā)現了類似于脈絡叢（choroid plexus）、大腦皮質（cerebral cortex）和視網膜組織（retinal tissue）樣的結構。染色之后進一步發(fā)現，經過了16天的發(fā)育，該類腦組織已經形成了所謂的前腦（forebrain）、中腦（midbrain）和后腦（hindbrain）等結構。他們還發(fā)現了很多大腦特化區(qū)域專有的分子標志物，其中就包括人腦特有的外室管膜下區(qū)（outer subventricular zone， OSVZ）。用小鼠胚胎干細胞培育出的類腦組織里就沒有OSVZ區(qū)。不過類腦組織和真正腦組織的相似之處也就這么多了。由于在類腦組織里沒有發(fā)育出血管，所以組織內部的細胞不久之后就死亡了。因為這種限制，經過2至3個月的生長，類腦組織最多只能夠長到直徑3mm左右的大小。據Lancaster介紹，到了4個月的時候，類腦組織就再也不能分化出更多種類的細胞了。

但是該組織在震蕩培養(yǎng)皿中可以繼續(xù)生存下去，其中時間最長的一個類腦組織已經在實驗室里養(yǎng)了快一年的時間。這個類腦組織給人類大腦疾病研究工作帶來了一絲曙光，因為之前一直都難以用小鼠或者其它動物作為模型來研究這類疾病。比如科學家們就可以用這種類腦組織來研究小頭畸形（microcephaly），這是一種神經發(fā)育異常疾病，患者的頭顱和腦組織體積都比正常人要小。而且也不需要用胚胎干細胞，只需要取一點患者的體細胞，然后將其重編程為誘導多潛能干細胞（induced pluripotent stem cell， iPS），然后再培育出類腦組織就可以了。用小鼠很難構建出理想的小頭畸形動物模型，因為小鼠小頭畸形的程度非常輕。相比之下，用患者iPS細胞培育出的類腦組織就要明顯小好幾圈，Knoblich的課題組已經發(fā)現了一條導致小頭畸形的線索。

Lancaster和Knoblich還注意到，每一個類腦組織的發(fā)育過程都不一樣，所以在組織的構成和結構方面也是千差萬別，所以很難開展對照實驗。所 以他們也正在努力研究如何培育出更加一致的類腦組織，同時也希望能夠在其中加入血管系統，以便讓類腦組織長得更大，發(fā)育得更加成熟、完全。這是因為有一些前體細胞（precursor cell）的成熟時間提前，所以導致腦組織生長提前終止。不過這種類腦組織可能不太適合用于對自閉癥或精神分裂癥等比較復雜的神經系統發(fā)育異常疾病進行研究的科研工作，因為這些疾病牽涉的細胞成熟度更高，涉及到的細胞之間的聯系程度也更加復雜。他們也希望能有更多的人加入到這個工作當中，讓這項技術更加完善。G？tz等人就對此頗感興趣，他們說道：“對于研究大腦皮質而言，這種類腦組織是迄今為止最好的實驗材料了。時間會證明這種類腦組織的價值。”