盤子里的迷你大腦

6年前，把人皮膚細胞製造為胚胎皮質的一部分聽起來像個科幻小說。但是由於操縱細胞個體的技術進步，把成年的皮膚成纖維細胞重組成多能幹細胞（iPSCs）並誘使他們成為各種組織已成為可能。在適宜的條件下，多能幹細胞（PSCs）具有很強的自我重組能力，並發展成類似於小腸、甲狀腺、視網膜或皮質等微型器官的三維結構。這些體外製劑補充了體內模型，有助於闡明器官發育的原理和遺傳病的機制。

大腦皮層是體內最複雜的器官之一，但其發育起源卻來源於一層神經上皮祖細胞，這些神經上皮祖細胞產生了皮層中的所有其他細胞類型。幾個實驗室已經證明，體外培養的PSCs具有形成極化神經上皮結構的內在傾向，與胚胎皮質的祖細胞區有顯著的相似之處。在2013年的《自然》雜誌上，Lancaster等人提出了一種從PSCs中生長三維神經組織的方法。他們使用這種方法來模擬小頭畸形——一種以大腦體積嚴重減少為特徵的發育障礙。他們的方法建立在以前方法的基礎上，但結合了新的特徵，包括改變培養條件和使用旋轉生物反應器。由此產生的腦器官的大小可達4毫米，並包含比先前所顯示的更精細的人類胚胎大腦結構。

Lancaster等人在低水平成纖維細胞生長因子的胚胎幹細胞（ES）培養基中開始形成迷你大腦，然後將3D聚集體轉移到神經誘導介質中。與現有的許多定向神經分化方案相比，該方法不涉及促進神經外胚層而抑制中胚層和內胚層的SMAD抑製劑，這些培養條件有望產生自發分化為神經型和非神經細胞型。實際上，類器官中的多個區域缺乏基於通用標記的神經元同一性。

旋轉生物反應器用於改善生長中的器官的營養物質吸收，並能形成較長的連續神經上皮樣區，而不是其他程序所獲得的較小的樣結構。擴大的神經上皮區由兩極的徑向膠質樣幹細胞組成，這些幹細胞包圍著發育中的大腦中類似側腦室的充滿液體的腔。由於這些腔相當大，作者可以使用類似於心室內電穿孔的方法以及對神經幹細胞的特異性標記。這是描述生成細胞及其後代行為的一種有效方法，也可用於對這些細胞進行基因操作。

在發育中的前腦，抑制性中間神經元誕生於端腦的腹側部位，並切入背皮質，腹側和背側區域之間的遷移在Lancaster等人所產生的腦器官的一個亞類中被描述。具體來說， 與前腦腹側特徵相關的區域與向背側區域表達Calretinin的細胞的存在有關。因為它是基於單一的時間點和標記，這個模型系統可以被用來研究在盤子中的類腦組織中的不同細胞類型間信號轉導。

儘管存在多個類似大腦的區域，但作者承認迷你大腦並不能完全模擬大腦的組織結構。不同區域的形成和並置是隨機的，缺乏活體發育的整體結構。此外，皮層層合是不完整的，只有兩種特定的神經元亞型產生，這表明一些關鍵的發育線索丟失了。對於其他基於聚合的方法來說，這一直是一個持續的挑戰，雖然所有六層個體的神經元已成功地用2d培養方法生成。

鑒於在體外產生的腦組織仍然是其體內組織的一個簡單的隨機近似，使用人類幹細胞模型而不是體內小鼠模型的優點是什麼？一個令人信服的論點來自於，幹細胞來源的組織再現了人類大腦發育的特徵。例如，與老鼠不同，人類有一個擴大的外室下區(OSVZ)，由神經源性的放射狀膠質樣細胞(oRGs)和轉運放大細胞組成，這些細胞顯著增加了皮層的大小和複雜性。研究表明，PSCs可在體外產生oRG細胞。並且oRGs存在於大腦器官內類似oSVZ的祖細胞區域。相反，使用類似protocol的小鼠ES細胞不能產生oSVZ區域或器官，人類特有的祖帶的產生是這個系統的一個強大的特徵，該模型可作為研究調控人類器官發育的分子機制的一個有價值的體外平台。

使用人類iPSCs的另一個優點是有可能在最相關的基因接觸中獲得對大腦疾病的新洞察。例如，為什麼導致人的小頭畸形的突變不會嚴重縮小小鼠大腦的大小，這是未知的。Lancaster等人發現神經上皮幹細胞的生成者數量急劇減少，並伴有早期神經元分化。雖然這種表型符合目前流行的基於小鼠研究的小頭畸形發病理論，但其背後的機制仍然不確定。比較相同的突變對小鼠大腦器官的影響是很有趣的，以便了解小鼠小表型之間的差異。

總之，隨著體外培養大腦皮層神經元的數量越來越多，建立人皮層發育模型的途徑也越來越多。由Lancaster等人開發的protocol比以往的聚集方法具有優勢，包括形成一個類似oSVZ的祖細胞區。此外，單個器官內不同腦樣區域的自發出現可能為闡明腦模式的機制提供一個體外平台。他們的工作是朝著進一步完善的protocol發展的重要一步，最終將實現沿背腹和前後軸組織的更好的組織。在盤子里創造更完整的腦器官的技術可能更接近現實。當這種能力發生的時候，除了具有腦發育和疾病的體外模型的便利性外，還需要有一套全新的道德規範。