为了进行人体细胞实验，特别是在研究某些药物的作用时，科学家们开发了一种称为类器官的模型：由模仿人脑或其他器官的干细胞生长而成的微小结构。然而，培养皿中的类器官并不完美。例如，大脑类器官自身无法复制真实人脑神经元发育的复杂性。
发表在Nature上的一项研究在该领域取得了重磅突破。斯坦福大学的神经科学家SergiuPasca及同事们将大脑类器官移植到大鼠幼崽正在发育的脑中，发现类器官可以正常发育和成熟，并与大脑的神经回路部分地整合到一起，真正成为大脑的一部分。
此前，由于大脑类器官不发育血管，因此不能接收营养，这意味着它们不能长时间生长。另外，它们没有得到充分发育所需的刺激：在人类婴儿大脑中，神经元的生长以及它们如何与其他神经元建立联系，部分取决于感官的输入。
为了给大脑类器官提供这种刺激和支持，Pasca团队从人类干细胞中培养出相关结构，然后将其注射到新生幼鼠脑中，期望人类细胞能与大鼠细胞一起生长。类器官被放置在一个称为体感皮层的大脑区域，该区域接收来自大鼠胡须和其他感觉器官的信号，然后将其传递给其他解释信号的大脑区域。
研究人员将一种人脑类器官（荧光绿色）移植到新生大鼠脑中，创造出一种神经元相互连接的杂交大脑。（来源：斯坦福大学）
研究结果显示，人类神经元成功成熟，比在培养皿中生长的神经元大6倍，并通过突触与大鼠神经元形成联系。研究人员将其比喻为“几乎就像在电路中添加了另一个晶体管”。
从干细胞中培养出来并移植到大鼠脑中的人类神经元（右）比在培养皿中培养的神经元（左）生长得更充分。（来源：斯坦福大学）
为了测试移植的人类神经元是否会影响幼年大鼠的行为，Pașca和同事们利用光遗传学技术对人类细胞进行了基因改造，这种技术可以使细胞对光作出反应。然后，每当向大鼠提供水时都使用能向大鼠整合神经元发出蓝光的光纤。大鼠们很快就开始把光线与水联系起来：仅仅两周后，它们就在光线照射时开始舔舐，以期待喝水。
为了证明这项工作应用于脑部疾病研究的前景，Pasca和他的同事们还利用3例患有Timothy综合征（引起与自闭症相似的症状）遗传病的患者干细胞创造了大脑类器官。这些微小的结构看起来与培养皿里生长的任何其他大脑类器官都一样，但当研究人员将它们移植到大鼠脑内时，由此发育而来的类器官神经元没那么大，也会具有不同的突触连接和电活动。
加州Salk生物研究所的神经科学家RustyGage很高兴看到这些结果。他表示：“我们面临着挑战，但我相信这种移植手术将是一个有价值的工具。”
其中一些挑战是道德方面的，人们担心创造啮齿动物-人类器官杂交脑或类人大脑可能会伤害动物。去年，美国国家科学、工程和医学院组织的一个小组发表了一份报告，结论是人脑类器官仍然太原始，无法变得有意识，无法获得类似人类的智力，也无法获得可能需要法律监管的其他能力。Pasca说，他的团队进行的器官移植并没有造成大鼠癫痫发作或记忆力减退等问题，似乎也没有显著改变动物的行为。
但国家科学院小组成员Arlotta表示，随着科学的进步，问题可能会出现。她说：“我们不能只讨论一次，就听其自然。”不过，她还补充说，对人类器官的担忧需要与神经和精神障碍患者的需求进行权衡。大脑器官和人-动物杂交脑可以揭示这些疾病的机制，并允许研究人员测试精神分裂症和双相情感障碍等疾病的治疗方法。
总的来说，该研究开发的体内平台是一个强大的资源，可用于体外研究人类大脑发育和疾病的补充。研究人员预计，该平台将使他们能够发现向来难以捉摸的患者源性细胞中新的电路水平表型，并测试新的治疗策略。
