10.4.3 遗传性脑发育疾病
由于脑类器官可很好地重现人脑发育过程，其在模拟人脑发育疾病方面比模式动物或2D分化的细胞也具有更多的优势。比如脑类器官中包含与人脑中类似的神经干细胞（或前体细胞），其与模式动物的神经干细胞（或前体细胞）相比，具有更强的增殖能力和更多样的细胞亚型。另外，应用患者来源iPSCs培养的脑类器官疾病模型，可克服遗传背景差异、物种间脑发育差异而引起的疾病表型变化。与2D培养的人源细胞（包括患者来源iPSCs分化的神经细胞）相比，脑类器官可展现人胚胎脑类似的结构特征，比如上面提到的VZ、SVZ区域，及新生皮层区域中神经元分层现象等；此外，脑类器官中还可呈现类似于体内的多种细胞类型互作微环境。这些特点使得脑类器官在模拟人脑发育疾病方面具有独特的优势。目前，国内外研究人员已成功地应用脑类器官模拟多种人脑发育疾病。
1.先天性脑畸形障碍
先天性脑畸形障碍是由遗传因素引起的脑发育异常而导致的胎儿或婴儿脑畸形。按照其临床表现，先天性脑畸形障碍包括小头畸形（microcephaly）、大头畸形（macrocephaly）和无脑回畸形（lissencephaly）等。
（1）小头畸形
小头畸形是胎儿或婴儿时期大脑发育异常导致的患儿头部大小明显低于正常范围的一种神经发育障碍疾病，临床上通常以头围小于同年龄、同性别胎儿/婴儿头围平均值3个标准差及以上为诊断标准。按照发病时间，小头畸形可分为原发性小头畸形（primary microcephaly）和继发性小头畸形（secondary microcephaly）。原发性小头畸形是指妊娠阶段出现脑发育异常，通常是由于神经发生时期神经干细胞行为异常（如细胞分裂异常、增殖异常、细胞周期阻滞、异常凋亡）所导致；继发性小头畸形则指孕期脑正常发育，但出生后出现头围低于正常均值的情况，通常是由于神经元发育出现异常（如神经元异常凋亡、突触发育异常等）所导致。小头畸形患儿除了头围小以外，通常还伴随多种神经缺陷和智力障碍，因而严重影响患儿的健康和生活。
近年来，研究人员通过医学遗传学等手段，发现了数百个小头畸形潜在致病基因。为鉴定潜在致病基因的功能及其相关分子机制，传统的方案是应用转基因小鼠模型来进行验证。但由于小鼠脑是平滑脑，缺乏oSVZ区域，且小鼠大脑神经干细胞与人脑神经干细胞相比具有不同的增殖能力和神经发生时长，因此，转基因小鼠模型无法模拟小头畸形患儿头围减小、脑结构畸形等病理表型。脑类器官则成功地弥补了转基因小鼠模型的不足。我们上面提到的非定向分化脑类器官，其建立之初即被成功用于模拟小头畸形；该研究通过应用中心体相关蛋白编码基因CDK5RAP2突变的小头畸形患者来源iPSCs，于国际上首次建立了小头畸形脑类器官模型［5］。相比于正常iPSCs构建的脑类器官，CDK5RAP2突变背景的脑类器官体积显著变小，且其中神经干细胞比例明显减少，而神经元数量显著多于对照组脑类器官。进一步的研究发现，患者脑类器官中神经干细胞出现更倾向于神经元分化的不对称分裂，而对照脑类器官中的神经干细胞则表现为更倾向于干细胞增殖的对称分裂。这些结果从细胞水平揭示了CDK5RAP2突变导致小头畸形的机制，也与CDK5RAP2已被证实的分子功能相符合。这项研究充分证明了脑类器官在研究遗传性小头畸形障碍发病机制的潜力。应用类似策略，即患者来源iPSCs或者基因编辑的ESCs，国内外研究人员进一步模拟并探索了多个小头畸形致病基因的致病机制，包括CPAP［57，58］、ASPM［59］、NOTCH2 NL［48］、K NL1［60］、CH MP1A［61］、OCCLUDIN［62］、WDR62［63］、NARS1［64］、FASN［65，66］、STAMBP［67］、NGLY1［68］、AUTS2［69］以及PTEN重复突变［70］和16p11.2微重复突变（micro-duplication）［71］等。这些脑类器官模型不仅模拟了人脑发育的尺寸减小，还揭示了这些基因突变导致小头畸形的分子细胞机制，例如神经干细胞增殖异常（如ASPM、NOTCH2NL，KNL1、CHMP1A、OCCLUDIN、WDR62、NARS1、FASN、STAMBP、AUTS2、PTEN重复突变等）、凋亡增加（如K NL1、OCCLUDIN、NARS1等）、细胞分裂时纺锤体受损（如KNL1）、纤毛解离异常（如CPAP、WDR62等）、神经元提前分化（如KNL1、OCCLUDIN、WDR62、NGLY1、16p11.2微重复突变等）等。另外，与上述这些研究聚焦单个基因或单一微重复突变不同，最近的一项研究结合CRISPR-Cas9基因编辑方法介导的loss-offunction技术和细胞谱系追踪技术，探索了在脑类器官模型基础上对小头畸形致病候选基因进行了高通量筛选的策略［72］。基于该筛选策略，研究人员发现了IER3IP1缺失通过调控内质网应激（endoplasmic reticulum stress）和细胞外基质蛋白分泌，从而影响人神经干细胞增殖，最终导致小头畸形的机制。该工作为应用脑类器官进行大规模遗传筛选，从而发现人脑发育疾病致病基因提供了新的思路。
（2）大头畸形
与小头畸形相反，大头畸形或巨脑畸形（megalencephaly）是胎儿或婴儿时期发育异常而导致脑大于正常均值的发育障碍，临床上以头围大于同年龄、同性别胎儿/婴儿头围平均值2个标准差及以上为诊断标准。大头畸形通常是由遗传因素引起的，如PTEN突变等。应用脑类器官，研究人员已经基于患者来源iPSCs或基因编辑ESCs建立了多种基因突变导致的大头畸形模型，如PTEN［73］、RAB39B［74］、CHD8［75］、STRADA［76］、NOTCH2 NL重复突变［77］和16p11.2微缺失突变（micro-deletion）［71］等。这些模型从表型上重现了大头畸形的病征，即脑类器官尺寸显著大于正常对照组。相关的机制探索则发现，导致此表型的主要原因是人神经干细胞池的扩增及神经元分化的延迟，且不同的致病基因通过不同的分子机制影响着人神经干细胞池。比如，PTEN、NOTCH2 NL和16p11.2微序列均以剂量依赖的形式影响着脑发育的尺寸［71，73，77］。其中，PTEN突变和NOTCH2 NL重复突变通过激活NOTCH信号通路来实现干细胞的异常扩增［73，77］，16p11.2微缺失则可能通过WNT信号通路和RHOA信号通路起作用［71］。另外，RAB39B和STRADA是通过m TOR信号通路实现神经干细胞池的扩增［74，76］。值得一提的是，PTEN缺失的人脑类器官不仅体积显著增大，且在脑类器官表面形成了类似于脑回的褶皱［73］（当然，皮层组织褶皱的出现与脑回发育的对应关系目前还有待进一步探索）。这一发现暗示大头畸形相关基因或许也与人脑进化相关，比如针对NOTCH2NL［48，78］基因的人脑进化相关研究。
（3）无脑回畸形和神经元异位症（neuronal heterotopia）
无脑回畸形又被称为平滑脑，患者一般表现为大脑皮层变厚，表面平滑无沟回（完全性无脑回畸形）或脑回数目减少（不完全性无脑回畸形），常伴有其他先天性异常，如小头畸形、面部异常和智力发育延迟等。在该发育疾病中，神经元迁移常出现障碍，导致神经元在脑白质中异常聚集，而非到达大脑皮层表面，从而导致了无脑回畸形。应用患者来源的iPSCs，无脑回畸形相关疾病如Miller-Dieker综合征也成功地在人脑类器官上被模拟［78，79］。Miller-Dieker综合征，又称为17p13.3缺失综合征，其遗传学病因是涉及PAFAH1B1（或LIS1）和YWHAE基因的染色体17p13.3区域的微缺失。患者临床症状主要表现为无脑回、小头畸形、脑室扩大、胼胝体发育畸形、发育迟缓等。由于培养皿中培养的正常脑类器官并无人脑的沟回特征，Miller-Dieker综合征脑类器官模型也不能真正地模拟无脑回这一临床病征。但是，此模型很好地模拟了无脑回畸形的细胞水平的机制——即神经元迁移障碍［78］，以及小头畸形［79］的病征。有趣的是，Miller-Dieker综合征患者来源iPSCs构建的脑类器官中，在神经元生成之前，神经干细胞已经显示出异常的形态和行为，如分裂方式的变化和细胞凋亡的增加，这些也暗示了神经干细胞在Miller-Dieker综合征患者的小头畸形和无脑回畸形中的重要作用［78，79］。
另外，脑类器官也被应用于模拟和研究神经元异位症，即胚胎期神经元迁移障碍导致神经元无法迁移到正常部位，而在皮层灰质中聚集所引起的皮质发育畸形。神经元异位症临床上常伴有癫痫和智力发育障碍，可由有毒物质等非遗传因素或遗传因素所导致。而相关致病基因（如DCHS1［80］，FAT4［80］，ECE2［81］，PLEK HG6［82］）的突变在脑类器官中可模拟神经元异位症的放射性胶质细胞（即神经干细胞）形态改变，无法正常形成协助神经元迁移的“脚手架”突起结构，从而导致神经元的迁移异常。总之，虽然目前脑类器官还没有达到模拟人类大脑沟回结构所需要的成熟度，但是它们仍为此类神经元迁移障碍疾病的发病机制研究提供了新的模型和理论基础。
2.综合征性神经发育障碍
虽然大量的医学遗传学证据证明神经发育障碍是高度遗传性的，但大多数神经发育疾病的遗传基础还未得到阐明。目前，有一类神经发育障碍疾病的遗传基础相对明确，被归类为综合征性神经发育障碍。这类疾病包括唐氏综合征（down syndrome）、Rett综合征（Rett syndrome）、脆性X综合征（fragile X syndrome）、天使综合征（angelman syndrome）、Timothy综合征（timothy syndrome）、L1综合征（L1 syndrome）、Phelan-McDermid综合征（Phelan-McDermid syndrome）、DiGeorge综合征（DiGeorge syndrome）、结节性硬化症（tuberous sclerosis complex）等。而脑类器官也为这些已知遗传学基础（其中大部分为单基因疾病）的疾病发病机制研究提供了重要的见解。
（1）唐氏综合征
唐氏综合征又被称为21三体综合征，是由21号染色体三倍体所导致的一种以面部畸形和智力迟缓为特征的染色体异常疾病。应用唐氏综合征患者来源的iPSCs培养的人脑类器官，研究人员发现神经干细胞增殖受损，且神经元发生延迟；而通过抑制SCAM/PAK1信号通路可以挽救干细胞增殖缺陷［83］。另一项研究则发现唐氏综合征患者iPSCs培养的脑类器官中产生了更多的GABA能中间神经元，这可能是由于21号染色体上携带一个中间神经元前体细胞的关键调控基因OLIG2，其剂量由于21号染色体三体而上升，导致中间神经元数量异常增多，从而破坏了兴奋性神经元和抑制性中间神经元的平衡，最终导致唐氏综合征的临床表型；相反，通过抑制OLIG2的表达则可修复中间神经元过量生成的缺陷［84］。值得一提的是，唐氏综合征是导致阿尔茨海默病发病的重要因素之一。应用唐氏综合征患者来源的iPSCs培养的脑类器官，研究人员发现了常见于阿尔茨海默病患者脑部的Aβ聚集，这可能是由于阿尔茨海默致病基因BACE2也位于21号染色体［85］。因此，体外培养的脑类器官模型验证了唐氏综合征和阿尔茨海默病的高度相关性。
（2）Rett综合征
Rett综合征是一种主要由表观遗传调控因子MECP2突变所导致的一类X连锁神经发育疾病。其临床表现为出生前及围产期正常，但随着发育的进行逐渐出现头围增长减缓、智力和语言表达能力发育滞后。近年来利用患者来源iPSCs或MECP2缺失ESCs构建的脑类器官，呈现出了相当大范围的神经发育异常，如脑类器官尺寸相对较小［86］，AKT信号通路受损导致的神经发育异常和神经元迁移障碍［87］，神经元突触数量和密度降低［88］，GABA能中间神经元发育异常［89］等。另外，基于脑区特异类器官的优势，研究人员分析了MECP2缺失在背侧前脑类器官（模拟皮质区域）、腹侧前脑类器官（模拟中间神经元发生区域），及背-腹侧前脑融合类器官（模拟中间神经元与皮质的共发育整合）中的功能，揭示了Rett综合征脑区特异性病征，如人皮层神经元的成熟缺陷、人中间神经元前体细胞数量减少，及人中间神经元迁移障碍等［90］。此外，通过将野生型细胞和MECP2敲除细胞混合后构建脑类器官，研究人员还可模拟女性Rett综合征患者中常见的X染色体随机失活导致的嵌合体相关病征［86］。
（3）脆性X综合征
脆性X综合征是指脆性X染色体智力低下基因FMR1表观遗传沉默所导致的神经发育疾病。FMR1基因位于X染色体脆性部位（Xq27-28带之间的染色体呈细丝状，容易发生断裂，被称为脆性部位），编码RNA结合蛋白FMRP，而FMRP通过与RNA结合调控多种基因的翻译。在正常人中的基因组上FMR1的5′非编码调控区的（CGG）n的数量为52～200个拷贝，且相邻的Cp G岛未被甲基化，FMR1基因可正常表达。而在脆性X综合征患者中，CGG重复数量可达200～1 000个拷贝，相邻Cp G岛也被甲基化，导致FMR1不表达或仅有极低水平的表达，从而诱发临床症状。脆性X综合征的临床表现为智力和语言障碍、自闭症等。目前，多项研究已经应用脑类器官模拟了脆性X综合征的临床病征。一项应用患者iPSCs构建脑类器官的研究，显示培养28天的脆性X综合征脑类器官中具有更多增殖活跃的神经干细胞和相对较少的神经元［91］。而另一项同时期的研究则显示患者iPSCs培养56天的脆性X综合征类脑器官包含较少的神经干细胞，而神经元数量与对照相比显著增多，突触密度和神经元活性都显著高于对照脑类器官［92］。这两项结果截然相反的研究提示脆性X综合征在不同的发病阶段可能会展现不同的临床表型。此外，更关注胶质细胞的研究发现FMR1缺失的脑类器官中生成了更多的星形胶质细胞［93］，提示FMR1突变对脑发育中不同谱系存在广泛影响。针对脆性X综合征样本的转录组分析还发现了多个FMR1潜在下游基因，包括PI3 K［91］、CHD2［92］等，其中，抑制PI3K信号通路可部分修复脆性X综合征脑类器官的表型［91，92］。(https://www.daowen.com)
（4）天使综合征
天使综合征又被称为快乐木偶综合征，临床表现为快乐行为、智力低下、严重语言障碍及癫痫。其发病原因是15q11-13的E3泛素连接酶UBE3A基因缺陷或表达缺失导致。患者iPSCs培养的脑类器官可显示出增多的神经元网络连接和神经元过度兴奋的临床表型，且研究表明，这些表型是由于电压依赖的钾离子通道蛋白过表达所引起的，而在正常情况下此蛋白会被UBE3A降解［94］；加入此通道抑制剂则可修复天使综合征脑类器官的表型。而另一项研究则探讨了脑类器官中UBE3A基因表达的时空分布，发现了UBE3A在早期的脑类器官中表达很弱，而其表达量随着培养时间的延长而增多，在培养3周的神经元细胞核呈现中高表达［95］。此项研究提示了为何天使综合征中神经干细胞未受影响，临床表型主要体现在神经元活性的变化上。另外，通过使用拓扑异构酶抑制剂抑制结合于UBE3A基因组位点的非编码RNA UBE3A-ATS的表达，可重新激活UBE3A的转录，修复天使综合征脑类器官的表型［95］，从而为临床治疗此类疾病提供了新的思路。
（5）Timothy综合征
Timothy综合征也被称为第8型长QT（心电图中的QT间期延长）综合征，是一种获得性L型钙离子通道基因CACNA1C突变所导致的多器官障碍遗传疾病。其神经系统临床表现为自闭症、智力发育迟缓等。通过建立背侧前脑类器官和腹侧前脑类器官的融合培养，研究表明Timothy综合征患者iPSCs来源的脑类器官中出现GABA能中间神经元迁移障碍［10］，而此异常表型可以通过加入L-型钙离子通道抑制剂nimodipine进行修复［10］。最新的一项研究中，通过将正常细胞构建的脑类器官和Timothy综合征患者iPSCs构建的脑类器官分别移植入大鼠大脑，揭示了移植后Timothy综合征脑类器官中神经元发育缺陷，如树突形态异常——Timothy综合征神经元的初级树突数量是正常神经元的两倍，单总树突长度和分支均减少；与对照神经元相比，Timothy综合征神经元突触棘突密度和自发兴奋性突触后电流均增加［96］。该结果提示Timothy综合征中异常的神经元活性可能导致临床症状的重要原因。
（6）结节性硬化症
结节性硬化症是一种常染色体显性遗传的神经皮肤综合征，其神经系统临床特征表现为癫痫、智力障碍、自闭症和良性肿瘤等。该症发病是由于TSC1/TSC2基因突变所导致的m TOR信号通路的过度激活导致。结节性硬化症的一大临床特征是形成脑皮质结节（cortical tuber），而这一特征在小鼠模型中并不能很好地被模拟［97］。TSC1/TSC2敲除的脑类器官模拟了多种结节性硬化症的临床表型，如表达m TOR信号通路激活标记物磷酸化的S6，神经干细胞更多的产生胶质细胞且胶质细胞形态异常，并形成了皮质结节［98］。另一项研究发现患者遗传背景的脑类器官展现出兴奋性神经元与抑制性神经元的平衡受损这一结节性硬化症临床表型，而此表型是胶质细胞功能障碍所诱发的［99］。最近的一项研究应用携带TSC2杂合突变的患者iPSCs培养脑类器官，模拟了结节性硬化症的临床特征如脑皮质结节，并在此脑类器官模型中发现了类似室管膜下结节（subependymal nodule）的良性肿瘤组织［100］。而应用单细胞测序技术，研究人员揭示了此类肿瘤的细胞来源——一种新型中间神经元前体细胞［100］。这项研究不仅模拟了结节性硬化症的临床病征，还发现了人脑中一种新型中间前体细胞亚型，为我们了解神经发育疾病和人脑发育提供了新的角度。
（7）癫痫性疾病
癫痫，俗称“羊角风”，是大脑神经元突发性异常放电而导致大脑功能障碍的一种疾病。按照发病病因不同，癫痫可分为特发性癫痫综合征、症状性癫痫综合征、隐源性癫痫综合征、反射性癫痫综合征、良性癫痫综合征和癫痫性脑病等。遗传因素是导致癫痫的重要因素之一。目前已证实的癫痫致病基因有近千种，这些基因与离子通道、突触发生、神经递质合成与释放、膜受体、转运体、神经元迁移等有关。例如编码电压门控式钾离子通道基因KCNQ2、KCNQ3、KCNJ10，电压门控式钠离子通道基因SCN1A、SCN1B、SCN2A，电压门控式氯离子通道基因CLCN2，配体门控式氯离子通道GABAA受体基因GABRD、GABRG2，钙离子通道基因CACNA1 H、CACNB4，水通道基因AQP4、突触融合蛋白基因STXBP1等，这些基因的突变可导致严重癫痫发生。结合膜片钳和多电极阵列技术等检测神经元活性的技术，脑类器官可用于研究癫痫综合征的发病机制。除了很多具有癫痫临床病征的综合征（如神经元异位症、天使综合征、Phelan-McDermid综合征、结节性硬化症等）以外，脑类器官还被应用于研究WWOX［101，102］和CDKL5缺失导致的癫痫性脑病［103］。这些研究在模拟癫痫的脑类器官中检测到了异常兴奋的神经元活性［101-103］、超同步的震荡网络［101］，异常低下的髓鞘化［102］等。另外，从细胞学机制角度，研究人员应用患者iPSCs构建的脑类器官进行了探索，发现了半胱氨酸蛋白酶抑制物B（cystatin B）可通过影响神经前体细胞增殖和中间神经元迁移从而导致癫痫［104］。
（8）其他综合性神经发育障碍
除了上述疾病，脑类器官还被应用于研究多种其他综合性神经发育障碍，如由编码参与轴突引导黏附蛋白基因L1CAM突变引起的X连锁先天性疾病L1综合征，由包含SH AN K3基因在内的染色体22q13.3缺失导致的Phelan-Mc Dermid综合征，由染色体22q11.2区域缺失导致的DiGeorge综合征，由染色体16p13.11区域异常导致的16p13.11微缺失/微重复综合征等。针对不同疾病对应的病理表型，研究人员可利用脑类器官开展针对性的模拟。比如，大脑胼胝体是连接两个大脑半球的通道，对脑功能执行起重要作用，而胼胝体发育不全是L1综合征的典型病征。通过构建脑类器官轴突投射模型，研究人员体外模拟了胼胝体发育；通过RNAi介导的L1CAM敲降则降低了胼胝体样结构中轴突密度，从而模拟了L1综合征患者胼胝体发育障碍的临床表型［105］。Phelan-Mc Dermid综合征中缺失的SHAN K3是一个自闭症相关基因，其在皮层—纹状体神经环路中发挥重要作用。通过构建可模拟皮层—纹状体环路特征的皮层—纹状体融合脑类器官，研究人员可模拟Phelan-McDermid综合征的临床表型，并发现了中型多棘神经元钙活性的增强［16］。而应用患者的iPSCs，研究人员也成功构建了DiGeorge综合征脑类器官模型［106］。DiGeorge综合征脑类器官显示了受损的神经元活性，此表型是由于钙离子通道异常抑制所导致［106］。进一步研究还发现DGCR8功能缺失是DiGeorge综合征表型的潜在分子机制，而过表达DGCR8或使用抗精神病药物raclopride和sulpiride可以挽救DiGeorge综合征脑类器官中的神经元活性缺陷［106］。此外，应用16p13.11微重复患者的iPSCs，研究人员发现患者来源的脑类器官中神经干细胞的增殖异常，其分裂方式由维持干细胞池的对称分裂方式，转变为促进神经元分化的不对称分裂方式。进一步的研究发现，其对应的分子机制是16p13.11微重复影响了NF-κB信号通路，而通过药物处理或遗传操作方式，可以修复患者来源脑类器官中神经干细胞的增殖缺陷［107］。
3.精神疾病
精神疾病是在生物学、心理学及社会环境因素影响下，大脑功能失调而导致精神障碍、精神发育迟滞、人格障碍及心理障碍等临床表现的疾病。常见的精神疾病包括自闭症谱系障碍（autism spectrum disorder，ASD）、精神分裂症（schizophrenia，SZ）、双向情感障碍（bipolar disorder，BD）、抑郁症（depression）、强迫症（obsessive-compulsive personality disorder）、妄想症（delusional disorder）、厌食症（anorexia）、恐惧症（phobia）、痴呆症（dementia）等。虽然这些疾病大多于成年开始发病，但也有许多证据表明这些疾病起始于大脑发育的早期［108］。
（1）自闭症谱系障碍（ASD）
ASD又称为孤独症，其临床表现以缺乏社交能力、语言与交流障碍和重复性刻板行为作为三大判断标准。自1943年第一次由美国医生Kanner报道的11例ASD患儿以来，人们对ASD的发病因素也逐渐明了。起初人们普遍认为ASD是由于父母养育方式不当所造成。随着对ASD研究的不断深入，人们逐步认识到ASD是一种在一定遗传因素影响下，受环境因素刺激所导致的中枢神经系统发育障碍。研究显示，染色体异常是导致ASD的遗传因素之一，包括2q37、7q、18q、22q13等染色体区域异常。目前，通过大规模全外显子测序和全基因组测序发现的ASD风险基因超过数百种，但绝大多数候选基因的临床显著性不明，提示ASD是一种多基因疾病。近年来，脑类器官也被应用于研究ASD的发病机制。除了上述具有ASD临床表型的综合征（如脆性X综合征、Timothy综合征、结节性硬化症、Phelan-McDermid综合征、16p13.11微重复综合征等）以外，脑类器官还被应用于研究原发性ASD发病机制。研究表明，ASD患者遗传背景的脑类器官中生成了更多的GABA能抑制性中间神经元，从而破坏了脑组织内兴奋性—抑制性平衡，且此表型是由于转录因子FOXG1在患者来源脑类器官中过表达所导致［12］。在最新的一项工作里，研究人员应用携带3个ASD风险基因SUV420 H1、ARID1B和CHD8单基因突变的患者遗传背景脑类器官，结合单细胞测序和蛋白质组分析，发现这3种ASD风险基因可通过不同方式影响兴奋性神经元和抑制性神经元的发育，从而改变其平衡并降低了自发神经回路活性［109］。此研究不仅发现不同的ASD风险基因突变对大脑发育具有相似的效应，影响了神经元网络的兴奋性-抑制性平衡，还发现虽然相同ASD风险基因突变在不同患者来源的脑类器官中对脑发育的影响总体一致，但其严重程度有异，该现象与不同患者体现出不同的临床表现相符［109］。
（2）精神分裂症（SZ）
精神分裂症是一种以个性改变、思维障碍、认知功能障碍、感知觉障碍、情感障碍和行为障碍为主要临床特征的慢性精神疾病。患者一般情况下意识清醒，智力正常，但随着病征的严重，部分患者出现认知功能的损伤，最终出现神经系统衰退和精神残疾。研究发现，精神分裂症与ASD类似，也是由遗传因素和环境因素的双重影响所导致的。而大规模全外显子测序和全基因组测序发现的多种候选基因的临床显著性也不高，提示精神分裂症也是一种多基因疾病。目前，已有多项应用脑类器官探索精神分裂症发病机制的研究。研究人员在精神分裂症遗传背景的脑类器官模型中发现了许多早期皮层发育异常，如侧脑室结构损伤［110］、神经干细胞分裂异常［110，111］、皮层神经元定位障碍［112］，以及GABA能中间神经元的异常增多［111］。有趣的是，虽然这几项研究使用的是不同遗传背景的患者iPSCs（其中两项研究使用的是DISC1突变细胞），但发现的致病分子机制均与WNT信号通路调控相关。另一项研究则应用脑类器官分析了两个精神分裂症相关基因编码蛋白DISC1与NDE1的相互作用对精神分裂症发病的影响［113］。DISC1与NDE1相互作用可调节神经干细胞的分裂，而DISC1缺失则导致有丝分裂延迟［113］。另外，将正常的脑类器官暴露于免疫因子TNFα下，可展现出多种与ASD脑类器官模型类似的表型，如皮层组织的结构紊乱、少突胶质细胞生成增加、FGFR1信号通路激活等［114］。该研究验证了神经炎症与精神分裂症之间的相关性［115］。一项比对精神分裂症患者来源脑类器和正常脑类器官转录组的研究发现，二者的基因表达差异主要富集在突触发育与功能、神经发育、免疫反应、线粒体功能和兴奋性—抑制性平衡［116］。
（3）双向情感障碍（BD）
双向情感障碍又称为躁郁症。与单向情绪低落为特征的抑郁症不同，双向情感障碍是一种既有躁狂症发作，又有抑郁症发作的精神疾病。该疾病临床表现复杂，体现在躁狂发作（情绪高涨、精力充沛、语言行为增多）和抑郁发作（情绪低落、语言活动降低，疲劳迟钝）反复、交替、不规则出现，还伴有其他类型的精神类疾病的病征。双向情感障碍的病因仍不明确，大量研究提示遗传因素、生物因素（如神经递质功能异常、神经内分泌失调、生物节律紊乱、神经免疫异常等）、心理因素、社会因素都对发病有影响，且彼此之间相互作用共同推进疾病的发生和发展。通过对双向情感障碍患者来源iPSCs培养的脑类器官进行转录组和神经元活性分析，研究人员发现异常表达基因主要富集于细胞黏附、免疫反应、内质网应激反应等，功能研究则发现患者来源的脑类器官中神经元活性显著降低［117］。而最新的一项研究应用脑类器官探究了锂对双向情感障碍治疗的机制。此项研究发现患者来源的脑类器官显现出尺寸变小、神经元比例降低、神经元活性下降及神经网络活性降低等表型，而锂处理可挽救患者脑类器官中神经元活性降低的表型［118］。