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脑类器官：它们是真实存在的吗？
1965 年，英特尔联合创始人戈登·E·摩尔 (Gordon E. Moore) 发现，单个微芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番，而计算机成本在此期间大约下降一半；这被称为“摩尔定律”。计算能力的提升是第四次工业革命及其推动的所有社会变革的基石。尽管逻辑告诉我们多年来我们已经接近物理尺寸的极限，但工程师们仍在继续寻找看似不可能的方法将更多的晶体管封装到芯片上。科学和社会如何才能延续这些令人欣喜的进步浪潮？也许生物学可以提供解决方案。从一开始，计算机就是为模拟人脑而设计的。数学家约翰·冯·诺依曼是计算机时代的先驱。他未完成的著作《计算机与大脑》于 1958 年首次出版，讨论了当时的大脑和计算机之间的重要区别，并提出了未来研究的方向。这极大地影响了一代又一代创新者的努力，他们让计算机越来越像大脑。在他们引人入胜的文章中，Smirnova 等人 (1) 现在建议做完全相反的事情：让大脑培养更像计算机。2022 年 6 月，美国能源部橡树岭国家实验室的惠普企业前沿 (OLCF-5) 超级计算机超过了单个人脑的估计计算能力 (1 exaFLOPS)。然而，效率却存在巨大差异：人脑重约 1.4 公斤，功耗为 20 W，而企业前沿占用 680 平方米
用于低氧缺血研究的脑类官
摘要我们当前关于人脑发展的知识主要源自关于非人类灵长类动物，绵羊和啮齿动物的实验研究。但是，由于物种差异和产后和产后脑成熟的变化，这些研究可能无法完全模拟人脑发育的所有特征。因此，补充体内动物模型以增加临床前研究与潜在的未来人类试验具有适当相关性的可能性是重要的。三维脑器官培养技术可以补充体内动物研究，以增强临床前动物研究的转换性和对脑相关疾病的理解。在这篇综述中，我们着重于使用人脑器官的低氧缺血（HI）脑损伤模型的发展，以补充从动物实验到人类病理生理学的翻译。我们还讨论了这些工具的开发如何提供潜在的机会来研究与HI相关脑损伤的病理生理学的基本方面，包括男性和女性之间的反应差异。
三维导电聚合物微纳电极在脑类器官研究中的应用与展望
在脑类器官中[58]。 （f）TPP制造光子晶体微纳米传感单元[59]。 （g）成像在脑类器官中[58]。（f）TPP制造光子晶体微纳米传感单元[59]。（g）成像
人类脑类器官模拟自体环境中星形胶质细胞支持的肿瘤浸润和迁移
预印本（未经同行评审认证）是作者/资助者。保留所有权利。未经许可不得重复使用。此版本的版权所有者于 2025 年 1 月 29 日发布。；https://doi.org/10.1101/2025.01.29.635456 doi：bioRxiv 预印本
社论：BOSS23 脑类器官暑期学校用人类脑类器官模拟神经退行性疾病
脑类器官在重现人类神经系统疾病方面具有巨大前景，这可能有助于克服将研究成果转化为临床进展的限制。然而，虽然脑类器官有效地重现了人类大脑的关键发育阶段，但它们在研究神经退行性疾病 (ND) 的发病和机制方面的应用仍然面临重大挑战。为此，2023 年 6 月，巴斯克人类研究生物模型平台 (BBioH) 在阿丘卡罗巴斯克神经科学中心 (西班牙毕尔巴鄂) 组织了第一届国际脑类器官暑期学校 (BOSS23)。BOSS23 为年轻的研究人员提供了一个独特的机会，让他们与该领域的顶尖专家取得联系，讨论人类脑类器官模拟年龄依赖性 ND 的潜力。暑期学校结束后，我们邀请了本次会议的参与者为该研究主题集做出贡献。使用脑类器官作为研究与年龄相关的 ND 的模型仍处于起步阶段，这使得脑类器官研究成为一个令人兴奋的研究领域。Urrestizala-Arenaza 等人在一篇综述中广泛讨论了脑类器官目前面临的挑战，他们指出小胶质细胞和血管的缺失是研究神经退行性疾病 (ND) 的主要障碍。作者重点研究了阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症 (ALS)，其中神经炎症和神经血管受损是神经退行性疾病的主要特征。他们特别强调了结构和生物学限制，例如缺乏衰老特征、血管生成和髓鞘形成，这些都是使用脑类器官模拟与年龄相关的 ND 的重大缺点。Mateos-Martínez 等人在原始文章中证明了未成熟结构的存在。在他们的贡献中，作者提供了对成熟脑类器官的形态和超微结构组成的见解。他们的工作支持了这样的假设：脑类器官具有很好的前景，但目前的形式在研究与年龄相关的 ND 方面仍然存在局限性。脑类器官中增殖区的发育与人类大脑发育中发现的增殖区非常相似，细胞表现出围绕中央腔的极化结构，具有紧密连接和纤毛。
人类脑类器官在研究神经退行性疾病中的局限性：生存手册
2013 年，M. Lancaster 描述了第一种获取人脑类器官的方案。这些类器官通常由人诱导多能干细胞产生，可以模拟人脑的三维结构。虽然它们重现了人脑的主要发育阶段，但它们在研究神经退行性疾病的发病和机制方面的应用仍然面临重大限制。在这篇综述中，我们旨在强调这些限制，这些限制阻碍了脑类器官成为研究阿尔茨海默病 (AD)、帕金森病 (PD) 和肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 等神经退行性疾病的可靠模型。具体来说，我们将描述结构和生物学障碍，包括缺乏衰老足迹、血管生成、髓鞘形成以及功能性和免疫活性小胶质细胞的加入——所有这些都是 AD、PD 和 ALS 中神经退行性疾病发病的重要因素。此外，我们将讨论监测这些类器官的微观解剖学和电生理学的技术限制。同时，我们将提出解决方案来克服当前的限制，从而使人类大脑类器官成为模拟神经退行性疾病的更可靠的工具。
MCT8 缺乏的脑类器官中 T3 摄取和作用受损是 Allan-Herndon-Dudley 综合征的根本原因
甲状腺激素 (TH) 细胞转运蛋白单羧酸转运蛋白 8 ( MCT8 ) 基因突变的患者会出现严重的神经精神运动迟缓，即 Allan-Herndon-Dudley 综合征 (AHDS)。据推测，这是由于宫内和出生后发育阶段大脑中 TH 信号传导减少所致，治疗仍然具有挑战性，这是可以理解的。鉴于大脑 TH 转运蛋白的物种差异以及小鼠研究的局限性，我们使用来自 MCT8 缺陷患者的人类诱导多能干细胞 (iPSC) 生成了大脑类器官 (CO)。 MCT8 缺陷型 CO 表现出 (i) 早期神经发育改变，导致神经丛变小，皮质单元变薄，(ii) 发育中的神经细胞中三碘甲状腺原氨酸 (T3) 转运受损，通过脱碘酶 3 介导的 T3 分解代谢评估，(iii) 大脑皮层发育相关基因表达减少，以及 (iv) TH 调节基因的 T3 诱导性降低。相反，TH 类似物 3,5-二碘甲状腺丙酸和 3,3′,5-三碘甲状腺乙酸在 MCT8 缺陷型 CO 中引发正常反应（诱导/抑制 T3 反应基因），这证明 T3 转运缺乏是 AHDS 病理生理学的基础，并展示了 TH 类似物用于治疗 AHDS 患者的临床潜力。 MCT8 缺陷型 CO 代表一种物种特异性相关临床前模型，可用于筛选对 AHDS 患者有潜在益处的药物，作为个性化治疗。
Cockayne综合征患者IPSC衍生的脑类型
已经对CSB的所有这些特征进行了研究，主要采用了各种CS，中国仓鼠卵巢和小鼠模型衍生的原代细胞的患者的皮肤纤维细胞。单型细胞系通常非常适合初始基因功能分析和结构 - 功能关系研究，但无法完全说明多功能蛋白（例如具有多系统表现的CSB）的影响。在1997年，描述了CS的第一个小鼠模型[17]，从而可以研究受影响组织和整个生物体研究的原代细胞。从那时起，已经建立了所有CS相关基因，CSB，CSA，XPB，XPD和XPG的小鼠模型[18-22]。CS小鼠模型（XPG除外）通常发挥轻度的CS表型，其体重，紫外线敏感性，轻度神经退行性变化以及皮肤肿瘤发生的令人惊讶的增加，在CS的人类患者中找不到症结。对于严重CS的建模，CSA-或CSB-有效的小鼠可以与缺少TC-NER机械基因的小鼠交叉，例如XPA或XPC [19,23]。
从伦理、法律和社会角度看脑类器官和类器官智能
人类大脑类器官，又称大脑类器官或早期的“微型大脑”，是重现人类大脑发育各个方面的 3D 细胞模型。它们在促进我们对神经发育和神经系统疾病的理解方面显示出巨大的潜力。然而，前所未有的体外模拟人类大脑发育和功能的能力也带来了复杂的伦理、法律和社会挑战。类器官智能 (OI) 描述了将此类类器官与人工智能相结合以建立基本记忆和学习形式的持续运动。本文讨论了有关大脑类器官和 OI 的科学地位和前景、意识的概念化和心脑关系、伦理和法律层面的关键问题，包括道德地位、人与动物嵌合体、知情同意以及监管等治理问题。需要一个平衡的框架来允许重要的研究，同时解决公众的看法和道德问题。科学家、伦理学家、政策制定者和公众之间的跨学科观点和积极参与可以为类器官技术提供负责任的转化途径。可能需要一个深思熟虑、积极主动的治理框架来确保这一有前景的领域取得合乎道德的负责任的进展。
从伦理、法律和社会角度看脑类器官和类器官智能
人类大脑类器官，又称大脑类器官或早期的“迷你大脑”，是重现人类大脑发育各个方面的 3D 细胞模型。它们在促进我们对神经发育和神经系统疾病的理解方面显示出巨大的希望。然而，前所未有的体外模拟人类大脑发育和功能的能力也带来了复杂的伦理、法律和社会挑战。类器官智能 (OI) 描述了将此类类器官与人工智能相结合以建立基本记忆和学习形式的持续运动。本文讨论了有关大脑类器官和 OI 的科学地位和前景、意识的概念化和心脑关系、伦理和法律层面的关键问题，包括道德地位、人与动物嵌合体、知情同意和治理问题，例如监督和监管。需要一个平衡的框架来允许重要的研究，同时解决公众的看法和道德问题。科学家、伦理学家、政策制定者和公众之间的跨学科视角和积极参与可以为类器官技术提供负责任的转化途径。可能需要一个深思熟虑、积极主动的治理框架来确保这一有前途的领域在道德上负责任的进展。