撰文丨王聪
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
人类大脑的发育和成熟过程持续时间极长，几乎贯穿生命最初的二十年时间。这种慢节奏使得人类出生后大脑发育和成熟过程，难以在动物模型中进行研究，例如最常用的小鼠模型，其大脑在几个月内就发育成熟了，难以模拟人类大脑的漫长发育和成熟过程。
人类大脑类器官提供了一个有前景的体外模型，但迄今为止它们通常只能模拟大脑发育的早期阶段（胎儿期），因为在传统培养条件下，神经元难以长期存活，通常在培养皿中几个月后就开始大量死亡。
2026 年 8 月 19 日，哈佛大学的研究人员在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：Human brain organoids record the passage of time over multiple years 的研究论文【1】。
该研究通过优化培养条件，将人类大脑类器官在培养皿中培养了超过 5 年时间，这是之前纪录的三倍。研究团队追踪了这些人类大脑类器官在培养过程中的转录组和表观基因组随时间的变化，发现其中的细胞发育及衰老过程与人类出生后大脑的发育进程高度一致。更重要的是，该研究还发现，这些人类大脑类器官保留了培养期间所经历的时间的记忆。这些发现表明了人类大脑类器官能够在体外培养过程中持续成熟，并记录长达数年的时光流逝。
类器官（Organoid）为脑科学研究提供了有前景的体外模型，但其进展一直受限于在实验室培养皿中维持脆弱细胞（尤其是神经系统的基本单位——神经元）存活的困难。此前最长的类器官培养纪录为694 天，由加州大学洛杉矶分校和斯坦福大学的研究团队于 2021 年报告。
人类大脑持续发育和成熟长达二十年之久，与其他物种相比，这一时间跨度异常漫长。然而，以往大多数涉及类器官的研究仅能重现大脑发育的早期阶段。
长期以来，人们并不清楚体外培养的细胞能否准确模拟更长时间尺度下的大脑发育过程，以及所有类型的细胞是否都能存活下来。为解答这些问题，哈佛大学的研究团队致力于延长体外细胞培养的寿命。
哈佛大学Paola Arlotta课题组致力于研究大脑皮层发育的分子机制，包括其多种细胞类型的产生、神经回路的形成，以及这些过程出现异常时所引发的病理变化。十多年来，该团队一直将类器官作为极具前景的研究模型。
为了培育这些大脑类器官，他们首先从活体供体采集血液样本，然后将收集的血细胞重新编程为诱导多能干细胞（iPSC），这些 iPSC 能够再分化为多种其他类型的细胞。随后，研究团引导这些 iPSC 再分化为脑细胞。
在这项最新研究中，研究团队对 34 个人类大脑类器官进行了分析，并在 6 个月、9 个月、1 年、1.5 年、2 年、3 年、4 年、5 年这八个时间点使用单细胞 RNA 测序技术监测其活动情况。再结合此前的研究数据，他们共收集了 110 个类器官和近 42.5 万个单细胞数据。
培养皿中的人类大脑类器官
在观察这一过程持续数年之后，他们发现，这些培养皿中的人类大脑类器官细胞能够准确模拟人类大脑在妊娠期以及出生后最初几年内的分子发育过程。其中一个显著的指标是DNA 甲基化。DNA 甲基化遵循着明确的时间表，可作为可靠的“年龄时钟”。他们发现，培养皿中的人类大脑类器官复制了在人类大脑中记录的相同发育步骤。而且，这些培养皿中的人类大脑类器官的表观遗传年龄与它们在培养皿中实际度过的时间高度吻合。
接下来，研究团队开展了一项实验：当置于相同的环境中时，年老的人类大脑类器官中的细胞（培养了 9-12 个月）是否会与年轻的人类大脑类器官中的细胞（只培养了 15 天）表现出不同的行为？他们将不同年龄、来自不同供体的类器官融合成一个新的单一的类器官。
研究团队惊讶地发现，当受到化学信号刺激以生成新神经元时，年轻的人类大脑类器官中的神经前体细胞产生了其培养阶段对应的早期神经元。而年老的细胞人类大脑类器官中的神经前体细胞则跳过了早期阶段，直接大量生成了通常在经过两三个月培养后才出现的后期神经元。研究团队得出结论——这些培养中的人类大脑类器官记录了时间的流逝，并保留了已完成发育步骤的记忆，即使接接收到了来自年轻细胞的早期发育阶段信号，它们也没有忘记自己的身份。研究团队将这种现象称为“发育中的时间扭曲”（time warp of development）。
这项新研究由Paola Arlotta教授的两位前博士后Irene Faravelli和Noelia Antón-Bolaños共同主导，她们也是这篇论文的共同第一作者。两年前，她们合作发表Nature论文【2】，描述了人类大脑“嵌合类器官”（Chimeroid）的生成过程，这项新研究也采用了相同的技术。
Noelia Antón-Bolaños（现为乌得勒支大学医学中心助理教授）表示，我们实际上可以将这些人类大脑类器官培养非常长的时间，而这一点在之前是未知的，它们能够持续记录时间，不断成熟，并展现出一些我们此前从未发现的特征，直到我们将它们培养超过五年。
Irene Faravelli（现为米兰大学助理教授）表示，这项研究显示，体外培养的人类大脑类器官具有与大脑皮层正常细胞类似的长期“自我涌现”能力。人类大脑非常难以直接观察，而通过类器官，我们最初开始研究大脑发育过程中的最初阶段，现在正越来越接近大脑发育后期所发生的生物学过程。
在这项新研究中，研究团队还进行了技术改进，以提高人类大脑类器官中的细胞的存活率，其中的神经元尤为脆弱，在培养过程中数量会随时间下降；相比之下，星形胶质细胞则更为稳定。
之前的研究表明，神经元的“自发性放电”可提高其存活率。研究团队采用了一种旨在促进此类电信号传导的液体培养基，并添加了作为辅助能量来源的氨基酸补充剂。在 9 个月内，这些人类大脑类器官中的神经元数量增加，形成了更密集的突触，形态也更加复杂了。
一年后，在这种新型培养基中培养的所有人类大脑类器官均表现出强烈的电活动爆发，而在对照培养基中的则没有，研究团队进记录了这种电活动保持长达两年以上。
实际上，这些培养皿中人类大脑类器官有些已经存活了 7 年之久，但要进一步长期维持这些脆弱的类器官，既困难又昂贵，该团队并未计划进一步刷新类器官长寿纪录。他们希望进一步探索该研究中发现的“发育中的时间扭曲”现象，无需等待数年类器官生长，直接跳到大脑发育的关键后期阶段。
最后，论文通讯作者Paola Arlotta教授表示，这项新研究进一步增强了类器官在脑科学研究中的前景。研究人员可以制造大量“大脑替身”来研究大脑发育和疾病，或测试药物的有效性。更理想的是，还能生成海量数据，并借助强大的 AI 工具加以利用。此外，当前正值一个关键节点——生物与生物医学领域的 AI 模型取得了长足进展，再结合生成人类器官的“组织替身”的能力，为构建人类大脑模型打开了大门，使我们能够对老年大脑的生物学特征、疾病发展进程以及人类治疗反应做出强有力的预测。
论文链接：
1. https://www.nature.com/articles/s41586-026-10877-x
2. https://www.nature.com/articles/s41586-024-07578-8
热门跟贴