哈佛五年腦類器官揭示：人類神經細胞或會保留「發育時間表」

最關鍵的發現，唔只係呢些細胞可以「捱」過五年。哈佛研究團隊觀察到，人類皮質類器官在培養皿內持續出現與人類大腦發育相符的變化：細胞取得較後期的分子身份，維持神經結構及活動，並似乎保留住自己已經發育了幾耐的生物記錄。

研究團隊培養咗甚麼？

研究人員利用血液樣本取得的人類細胞，培養出胡椒粒大小的皮質類器官。當中34個存活超過五年。整項研究則分析了110個類器官、近42.5萬個細胞，並在八個年齡階段進行單細胞RNA測序，同時檢查分子、表觀遺傳、結構及功能變化。

呢個時間跨度相當重要。過往類似的人類皮質類器官，最長培養時間約為694日；今次研究將已知觀察期延長至超過兩倍，令科學家可以追蹤短期實驗難以捕捉的多年發育變化。

細胞沒有停留在「胎兒狀態」

研究顯示，類器官內的細胞並非一直停留在早期、類似胎兒大腦的狀態。隨着培養時間增加，細胞的基因表達模式由胎兒發育特徵，逐步轉向較後期、包括出生後類似的皮質狀態。細胞種類比例及與成熟相關的基因模組，也大致跟隨人類腦組織的參考發育時間表。

不過，呢個結果唔代表類器官完整重現正常人腦的每一個階段。較準確的說法係：即使離開胚胎，亦沒有身體其他部位提供的訊號、感官經驗及完整解剖結構，部分人類神經細胞仍然可以在培養皿內繼續一套發育程序。

較早期的長期培養研究已發現，培養約250至300日的類器官，可以出現類似人類出生後大腦發育的分子特徵。 新研究就將觀察推前至多幾年，並加入表觀基因組年齡及不同細胞種類成熟程度的證據。

有神經連接，也有電活動——但不等於有思維

這些長期存活的類器官含有興奮性神經元及膠質細胞，並形成神經突及突觸結構。研究人員亦量度到自發電活動，以及受刺激後的反應，支持類器官內存在仍然運作的神經網絡，而唔只係一堆勉強生存的細胞。

對研究大腦發育而言，呢點尤其有價值，因為部分神經疾病涉及多種細胞之間的互動，以及會經過較長時間才出現的變化。如果培養系統可以維持多年，研究人員便有更大機會觀察問題在甚麼時候出現，又或者比較不同遺傳背景和實驗條件下的差異。

但要留意：神經電活動唔等於正常腦功能，更唔等於認知、學習或者行為。類器官始終缺乏執行呢些功能所需的完整大腦結構及生理環境。

「時間扭曲」實驗：老細胞似乎記得自己的發育歷史

研究團隊將來自較老類器官的細胞，與年輕得多的細胞混合，製造嵌合培養物。結果顯示，老細胞並沒有簡單地重設至年輕細胞的發育時間表；相反，它們很快便產生與較後期發育階段相關的神經元類型。

呢個結果暗示，發育時間至少部分由細胞自身保留。持續存在的轉錄狀態及表觀遺傳狀態，可能就像一份細胞層面的發育履歷；即使細胞進入新的環境，過往歷史仍會影響它們會變成哪一類神經元。

當然，研究唔代表細胞有意識地「感覺到時間」。所謂細胞「記錄時間流逝」，其實係指基因調控及表觀遺傳模式會隨培養年齡改變，唔應該理解成細胞具備知覺、主觀經驗或者時間意識。

對自閉症及思覺失調症研究有何幫助？

長期皮質類器官有機會令科學家更容易研究一些會逐步形成的發育障礙。未來，研究人員可以利用病人來源的細胞，較長時間比較神經成熟、神經元命運決定、神經迴路形成，以及神經元與膠質細胞之間的互動；亦可以在較符合發育階段的時間窗口測試介入方法，而唔係只觀察一個早期截面。

呢類模型亦可能協助研究人員製造及研究更成熟、定義更清楚的神經細胞類型，用於疾病模型及移植研究。不過，呢些都只係潛在研究用途，並非已經證實有效的治療。類器官結果仍然需要在其他實驗系統中驗證，單靠類器官亦無法確定某種疾病在人身上究竟如何發展。

類器官始終不是「迷你人腦」

皮質類器官係一個三維、簡化的模型，只模擬人類皮質發育的部分面向。它沒有完整人腦的血液供應、免疫及荷爾蒙環境、感官輸入、遠距離神經組織、身體連接或行為背景。

因此，類器官可以重現某些分子事件或神經網絡特徵，同時遺漏活人腦內其他不可或缺的過程。它不能單獨重現正常認知，也不能完整呈現自閉症、思覺失調症或其他精神健康狀況的全部生物學機制。

同樣地，量度到電活動並不等於證明類器官有意識。今次研究沒有證據顯示類器官能夠感知、感到痛楚或擁有任何經驗；要回答意識問題，需要遠超過今次細胞及神經網絡量度的證據。

點解最後要終止培養？

研究人員最後收集了這些長期培養的類器官，進行終點分析。終止培養後，他們才可以詳細檢查細胞種類、基因活動、表觀遺傳狀態、結構及連接情況。

這亦反映實驗設計上的取捨：如果要在同一批仍然存活的細胞上持續進行所有分子分析，往往會改變甚至破壞樣本。因此，研究一方面記錄類器官多年來的生物發育軌跡，另一方面透過終點分析了解它們最終變成甚麼。

整體而言，研究結論既審慎又有份量：人類神經細胞可以在培養皿內多年保留及表現部分發育時間表。長期類器官因而成為研究人類大腦發育及疾病的有力工具，但同時亦提醒大家，能夠模擬神經組織的模型，始終不等於一個完整、具意識的人腦。