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人类脑组织的不可及性限制了对其发育和功能的研究，而人干细胞来源的神经模型正开始应对这一挑战。将神经类器官移植到啮齿动物宿主中，能够使研究人员在体内研究人类神经发育和环路功能的某些方面，同时可对宿主动物进行行为表型分析。然而，空间限制以及与宿主环路的竞争制约了神
人类脑组织的不可及性限制了对其发育和功能的研究，而人干细胞来源的神经模型正开始应对这一挑战。将神经类器官移植到啮齿动物宿主中，能够使研究人员在体内研究人类神经发育和环路功能的某些方面，同时可对宿主动物进行行为表型分析。然而，空间限制以及与宿主环路的竞争制约了神经类器官的整合，而这对于疾病研究至关重要。本研究建立了一个移植平台，采用遗传学策略有效耗竭小鼠新皮层和海马中的谷氨酸能神经元（无皮质小鼠），并在新生期将人干细胞来源的皮质类器官（hCO）植入该皮质腔隙中，从而生成异种皮质小鼠。这导致了移植物的强劲生长，hCO占据了大部分皮质体积，并产生了多种人类皮质细胞类型，包括第5层端脑外投射神经元。人皮质神经元与小鼠神经系统整合，体内皮质移植物范围的钙成像和电生理分析揭示了类似于发育中环路的、有组织的活动模式。对无皮质小鼠和异种皮质小鼠的行为分析显示，其运动功能大致保留，但在肢体协调和自发行为组织方面存在选择性差异。最后，该平台能够在发育中人皮质细胞损伤模型中实现行为层面的读数。研究人员认为，异种皮质化将有助于利用人神经元获得环路和行为水平的读数，以研究神经发育、模拟疾病并开发治疗方法。
论文解读
研究背景与科学问题
人类大脑的复杂性及其在发育过程中的高度动态变化，使得直接在人体内研究神经发育机制、精神疾病的病理基础以及筛选潜在治疗药物面临巨大障碍。尽管人干细胞来源的三维皮质类器官（hCO）能够在体外重现神经发生和胶质发生的许多特征，但它们缺乏来自血管系统的营养支持、免疫细胞的相互作用以及来自其他脑区的长距离神经支配，导致其成熟度有限，尤其难以产生深层皮质投射神经元等特定亚型。此前，将hCO移植到大鼠感觉皮层的研究取得了进展，但物理空间的限制以及与快速成熟的宿主皮层之间的竞争，严重制约了移植物的大小、细胞多样性以及与宿主神经环路的深度整合。因此，迫切需要一种能够为人源神经组织提供充足发育空间和适宜微环境的体内平台，以便在接近生理的条件下研究人类神经元的发育、环路形成及其在疾病模型中的功能表现。
研究概述与核心发现
为解决上述难题，研究人员创新性地构建了一种免疫缺陷的无皮质小鼠模型。通过条件性敲除早期背侧和内侧端脑标志物Emx1阳性细胞中的姐妹染色单体粘连因子Esco2基因，研究人员成功在小鼠出生前即耗竭了绝大部分新皮层和海马的谷氨酸能神经元，形成一个巨大的颅内空腔。随后，他们将体外分化的人皮质类器官移植入新生无皮质小鼠的这个空腔中，成功实现了“异种皮质化”（Xenocortication）。该研究系统地表征了这种异种皮质（XCX）小鼠的分子、结构、功能和行为的全貌，证明人源移植物不仅能够填充整个皮质区域，还生成了包括罕见的第5层端脑外投射（L5-ET）神经元在内的多种人类皮质细胞类型，并形成了与宿主脊髓等远距离靶区的功能性连接。更为重要的是，移植物展现出类似于发育中皮质的自发性网络电活动，并且能够驱动宿主的运动行为。最终，研究人员利用该平台成功模拟了缺氧损伤对人源皮质细胞的影响，并通过精细步态分析获得了特异性的行为学读数。这项成果于近期发表在《Nature》杂志上，为利用人神经元在环路和行为水平上研究神经发育、模拟神经精神疾病以及开发新型疗法开辟了全新路径。
关键技术方法
- 1.
遗传学小鼠模型构建：利用条件性基因敲除技术，在SCID免疫缺陷背景下，通过Emx1-Cre驱动Esco2基因缺失，特异性诱导胚胎期背侧和内侧端脑（新皮层和海马）谷氨酸能神经元凋亡，创建无皮质小鼠模型。
- 2.
人皮质类器官（hCO）制备与移植：采用人多能干细胞（hiPS细胞）定向分化生成三维皮质类器官，并在新生期（P0-P1）将其移植入无皮质小鼠的颅腔内。
- 3.
多模态结构与功能表征：
- •
转录组学：对全脑进行单细胞核RNA测序（snRNA-seq），并结合多重容错荧光原位杂交（MERFISH）空间转录组学，全面鉴定移植物及宿主的细胞类型组成与空间分布。
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结构与连接组学：运用磁共振成像（MRI） 和扩散加权成像（DWI） 量化移植物体积及组织结构方向性；结合顺行示踪（慢病毒介导的荧光蛋白表达）和狂犬病毒逆行示踪，追踪人源神经元的投射路径和宿主输入来源。
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功能记录：实施宽场钙成像（Optoencephalography, OEG） 和线性硅探针局部场电位（LFP）记录，监测移植物在体自发网络活动。
- 4.
行为学分析：应用无监督机器学习驱动的行为分析框架（Motion Sequencing, MoSeq） 解析小鼠自发行为的微观结构，并结合CatWalk步态分析系统和Y迷宫等靶向任务评估精细运动协调和工作记忆。
研究结果详解
1. 无皮质小鼠模型的建立与验证
研究人员通过Emx1-cre+/?Esco2fl/flPrkdcscid/scid基因型小鼠，成功构建了免疫缺陷的无皮质模型。MRI和组织学分析证实，这些小鼠的大脑体积减少约50%，背侧和内侧端脑衍生物（包括新皮层和海马）几乎完全消失。全脑snRNA-seq（共获得880,149个高质量单核图谱）定量分析显示，所有背侧端脑来源的谷氨酸能神经元类别被耗竭了约七倍，而嗅觉球及其他非端脑来源的细胞类别得以保留。这与预期一致，因为Emx1的表达谱系覆盖了主要的皮质兴奋性神经元。
2. 异种皮质（XCX）小鼠的生成与移植物特性
将四个hCO移植入新生无皮质小鼠后，移植物存活率高达86.2%。MRI定量表明，移植物在移植后2至3个月内体积增长了约4.7倍，并在3个月时占据了联合皮质组织体积的91.9%。snRNA-seq分析揭示，XCX移植物包含了多种人类皮质细胞类型，如深层和浅层谷氨酸能神经元、神经祖细胞、少突胶质细胞前体细胞和星形胶质细胞谱系细胞。尤为重要的是，研究人员发现了一个独特的L5-ET投射神经元群体，它们表达FEZF2、POU3F1以及前岛叶L5-ET神经元特有的GABRQ和BMP3基因，并呈现出形态上与人类冯·埃科诺莫神经元（VENs）相似的梭形/螺旋状形态。通过与体外类器官数据和既往移植数据比较，XCX移植物中L5-ET神经元的比例显著更高，表明无皮质环境促进了这类深层投射神经元的生成。
3. 移植物与宿主神经系统的结构和功能整合
顺行示踪显示，来自不同hCO的轴突束汇聚成共同的通路，投射至丘脑和上丘等皮层下结构。狂犬病毒逆行示踪则鉴定了宿主的主要输入来源，包括古皮层、丘脑和苍白球。DWI分析进一步证实，移植物内部水分子扩散的主导方向为背腹侧（DV），其微结构组织的一致性（归一化均方根偏差为0.26）与对照组（0.28）相近，表明存在一定程度的组织化结构。更重要的是，研究人员首次观察到人源神经元（GCaMP8s+STEM121+）的轴突投射延伸至宿主颈段脊髓，这在将hCO移植入完整皮层的对照小鼠中从未发现，证实了无皮质模型为长距离投射提供了必要空间。
4. 移植物自发性网络活动的体内记录
通过宽场钙成像（OEG），研究人员记录了XCX移植物中大规模的自发性钙离子波。这些事件表现为持续数十秒的同步爆发，并以数分钟的间隔重复出现。钙波通常起源于移植物内的特定焦点，并以约100毫秒的时间尺度传播至整个移植物表面。值得注意的是，钙活动与小鼠的口面部运动能量密切相关。深度分辨的局部场电位（LFP）记录进一步证实了这些钙爆发对应于电生理上的LFP爆发事件，且这些事件沿着整个电极探针长度同步发生，证明了移植物内部已形成功能性的神经网络。
5. 行为学表型分析
利用MoSeq对小鼠自发行为进行无监督分解，研究发现无皮质小鼠和XCX小鼠的行为音节库发生了协同性的重新权重调整，而非单一音节的缺陷。线性判别分析（LDA）显示三组小鼠的行为状态空间中心点彼此分离，其中XCX小鼠介于对照组和无皮质组之间，但并未回归正常。在靶向任务中，所有小鼠的总体运动速度无显著差异，但无皮质小鼠表现出精细运动协调（CatWalk步态中摆动期缩短）和工作记忆（Y迷宫交替率降至随机水平）的缺损。XCX小鼠在步态协调上也偏离了对照组，但其Y迷宫交替率显著高于随机水平，表明移植物在一定程度上恢复了工作记忆功能。而在更复杂的痕迹性恐惧条件反射任务中，两组实验小鼠均表现出习得性冻结反应的减弱。
6. 疾病建模：缺氧损伤模型的应用
为测试该平台的实用性，研究人员将XCX小鼠暴露于低氧环境（5% O2，5小时）以模拟发育期缺氧损伤。免疫组化结果显示，缺氧诱导因子1α（HIF1α）在人源移植物中被强烈诱导，而在邻近的小鼠古皮层中则不明显。磁敏感加权成像（SWI）在损伤后10天检测到移植物区域出现新的或增强的低信号血管影，提示脱氧血红蛋白增加。此外，损伤后移植物内的宿主来源小胶质细胞（IBA1+）和星形胶质细胞（GFAP+）密度显著增加，且细胞形态呈现激活状态。在行为层面，通过比较损伤前后同一只小鼠的CatWalk步态参数，研究人员发现缺氧损伤后的XCX小鼠在多个精细步态指标（如三/四足支撑时间比例、后爪站立时间和最大脚印面积）上出现了特异性的改变，而接受同样处理的对照组和无皮质小鼠则未表现出此类变化。
总结与结论
本研究成功建立了一个名为“异种皮质化”的创新平台，通过将人皮质类器官移植入遗传性无皮质小鼠的巨大颅腔中，实现了人源神经组织在体内的空前规模生长、多样化细胞类型的生成、与宿主神经系统的结构性及功能性整合，并最终在行为层面获得了可读出的效应。该平台的核心优势在于消除了宿主皮层的物理和竞争性限制，从而允许人源神经元（尤其是L5-ET投射神经元）的充分发育和长距离投射的形成。研究人员利用该平台成功模拟了发育期缺氧损伤，并观察到了从分子（HIF1α）、细胞（胶质细胞反应）、组织（SWI信号）到行为（步态改变）的多层次、特异性表型，初步验证了其在疾病研究和治疗评估中的潜力。研究人员得出结论：“研究人员认为，异种皮质化将有助于利用人神经元获得环路和行为水平的读数，以研究神经发育、模拟疾病并开发治疗方法。”这一突破性成果为理解人类大脑独特发育机制、建立更贴近临床的精神疾病模型以及高通量筛选候选药物提供了前所未有的强大工具。
