10.2.3　复杂脑类器官

我们上面介绍了脑类器官的基本构建方案，包括经典的非定向分化脑类器官，和类型更为多样的、基于定向分化策略构建的脑区特异类器官。基于这两种策略的脑类器官技术，均在2013年后得到了快速发展。在此基础上，更复杂的脑类器官技术也不断涌现出来。比如，2017年多脑区脑类器官组装体成功构建，为研究跨脑区互作提供了新模型［9-11］，相关技术也在近几年得到进一步发展。目前的复杂脑类器官模型，主要可归纳为多脑区类器官和多谱系类器官两大类，下面我们将分别做介绍。

1.多脑区类器官

非定向分化脑类器官中可能含有多脑区特征，但其出现随机、不可控；脑区特异类器官能更精确指征特定脑结构，但同时忽略了在发育过程中，或在脑功能执行过程中，其与其他脑区的互作。因此，在应用脑类器官时，需要根据具体需求选择合适的模型。此外，如何开发新的脑类器官模型，以模拟人脑中复杂的区域互作，也成为脑类器官领域重要的技术难题。在该方向上，研究人员初期均聚焦了脑发育过程中的关键事件——细胞迁移。

大脑皮层发育过程中，细胞迁移以多种形式发生：比如皮层新生神经元沿放射状胶质细胞纤维迁移至皮质板，中间神经元自腹侧端脑长距离切向迁移至大脑皮层，脑室下区新生神经元长距离迁移至嗅球等。其中，部分迁移现象，比如以放射状胶质细胞纤维为引导的皮层新生神经元迁移，可以在独立的非定向分化脑类器官或皮质类器官中重现，但是更为复杂的跨区域细胞迁移则难以模拟。为了解决该问题，2017年研究人员建立了脑类器官组装体模型，比如针对中间神经元切向迁移至皮层的过程，通过将分别构建的皮质类器官与腹侧端脑类器官进行组装（即融合），以模拟两个脑区间的功能连接［9-11［］图10-3（b）］。其中，类器官融合的方式，可以是依靠基质胶包被［9］，或让类器官自发融合［10，11］。腹侧端脑类器官—皮质类器官融合培养后，可呈现腹侧来源中间神经元向皮层的定向迁移及神经突触连接，从而为研究人类中间神经元迁移调控［9，11］，或相关疾病模拟［21，22］等，提供了便利的3D模型。该模型的建立，也为3D模拟更多复杂脑发育过程、脑功能等提供了重要思路［22-24］。

随后，用于体外模拟跨脑区轴突投射的多脑区类器官组装体也成功建立，且相关的技术也从早期模拟神经系统内投射连接，逐步发展至模拟神经系统与外周器官组织的连接调控。比如，我们知道皮层的发育与功能与丘脑密切互作，二者之间存在双向的轴突投射。为了在体外重现该特征，可分别针对皮质和丘脑构建脑区特异类器官，再通过将二者融合培养，即可3D模拟人丘脑与皮质组织间的双向轴突投射连接及对应功能［17］［图10-3（c）］。该策略也可用于模拟更多其他连接模式，比如皮质向纹状体的轴突投射［16］。进一步，人类中枢神经系统对外周器官组织的调控也可通过类器官组装体重现。比如，稍早期的探索证实非定向分化脑类器官与鼠源脊髓组织的共培养，可实现脑神经元向脊髓组织建立投射连接，并可调控与脊髓组织连接的椎旁肌肉［25］。随后建立的人皮质类器官、人脊髓类器官、人3D肌肉球体的三重组装体，则实现了人皮层神经元的运动控制模拟［26］。(https://www.daowen.com)

2.多谱系类器官

除了多脑区互作，大脑中另一种形式的复杂互作形式发生在多种细胞谱系之间。其中最典型的案例包括神经组织与血管组织间的互作，免疫系统对神经系统的调控影响等。由于胚层起源的差异，在上面提到的不同脑类器官模型里，均难以呈现这些谱系互作。为解决该难题，近年来也逐渐建立了不同的新技术方案。比如，作为脑类器官领域的关键挑战之一（其实也是众多其他类器官面临的难题），如何重构血管是一直以来大家关注的问题。目前针对该问题已建立了多种技术方案：①将由干细胞分化而来的血管内皮细胞，或人脐静脉内皮细胞与脑类器官共培养［27，28］，类似的共培养方案也已被用于引入其他的脑血管相关细胞如周细胞［29］；②利用转录因子（如ETV2）调控细胞命运，实现脑类器官中血管内皮细胞定向分化［30］；③分别构建血管类器官和脑类器官，通过将其融合培养，实现神经组装的血管化［31］。以上这些方案，都可实现神经组织与血管组织互作的体外模拟，在脑类器官构建基础上建立了多谱系互作发育与功能。当然，目前建立的脑类器官体外血管化技术，离体内的功能性血管网络仍存在较大差距，因此依然需要进一步发展。

体内移植也是实现血管化和多谱系互作的一种策略。比如，将脑类器官移植入成体小鼠脑内，可实现鼠源血管网络向人源脑类器官组织的生长，且该血管网络可执行血液循环功能［32］。此外，体内移植也可很好地实现鼠源小胶质细胞在脑类器官中的整合，从而将缺失的免疫组分引入脑类器官发育中。当然，从与免疫系统互作的角度，研究人员也在探索从体外培养角度进行重现。比如，从大脑中分布广泛的先天免疫细胞——小胶质细胞——入手，研究人员建立了小胶质细胞、或原始巨噬细胞组细胞与脑类器官共培养的模型，从而在体外3D重现人小胶质细胞与神经组织的互作。其中，小胶质细胞来源，或是由人多能干细胞经诱导因子调控其定向分化［33，34］，或是由特定转录因子（如PU.1）高表达来实现小胶质细胞命运决定［35］；从操作上，前者主要通过对小胶质谱系与脑类器官分别开展分化，随后建立整合共培养，后者则可在脑类器官中同时实现神经外胚层与小胶质细胞的分化与成熟。

综上，我们介绍了目前代表性的复杂脑类器官模型。这些不同的方案，在非定向分化脑类器官和多种脑区特异类器官的基础之上，为探索人脑复杂发育过程、功能以及疾病等提供了更多的选择，因此也已成为脑类器官研究领域的重要内容之一。