引言

我们每个人的大脑，这个宇宙中最复杂的结构之一，是如何从一个微小的细胞团，一步步塑造成拥有千亿神经元、能够思考、感受和创造的精密器官的？这是一个困扰了我们数个世纪的终极谜题。直接观察人类胚胎大脑的发育过程，无论在技术还是伦理上都几乎是不可能的，这使得我们对自身起源的认知，始终隔着一层神秘的面纱。

然而，科技的进步为我们打开了一扇前所未有的窗口——脑类器官 (brain organoid) 技术。这些在培养皿中由人类干细胞培育出的“迷你大脑”，能够模拟真实大脑早期发育的许多关键过程，包括细胞分化、组织形成甚至区域化。它们就像是发育生物学的“活化石”，让我们得以近距离观察大脑的创世纪。

尽管如此，观察这些“迷你大脑”的成长也并非易事。它们是三维的、不透明的、发育缓慢的，想要连续数周不间断地记录下其中每一个细胞的动态，就像是想在漆黑的暴风雨夜里，追踪森林里每一只萤火虫的飞行轨迹一样困难。

6月18日，《Nature》的研究报道“Morphodynamics of human early brain organoid development”，为我们带来了革命性的突破。研究人员开发了一套巧妙的“现场直播”系统，成功地对人脑类器官的早期发育进行了长达数周的实时、高清四维（3D空间+时间）成像。这项工作不仅让我们以前所未有的清晰度“看”到了迷你大脑的成长过程，更颠覆性地揭示了一个长期被忽视的关键因素——细胞外的物理环境，是如何像一位无形的导演，通过力学信号调控基因表达，最终决定大脑不同区域“命运”的惊人机制。

搭建“迷你大脑”的4D影院

想象一下，你想要拍摄一部关于城市建设的纪录片。如果你只用一台摄像机对着整个城市远距离拍摄，你可能只能看到模糊的轮廓。但如果你能同时在城市的各个角落安放无数个微型摄像头，分别记录建筑框架、管道铺设、电路连接和人员流动，你就能得到一幅无比生动和完整的画卷。

研究人员面临的挑战与此类似。传统的荧光标记方法，通常会将类器官中所有同类型的细胞都点亮，导致整个组织“亮成一片”，内部精细的结构和单个细胞的行为都无法分辨，就像是在白天看星星。为了解决这个问题，研究团队设计了一套极其巧妙的“稀疏多重镶嵌标记 (sparse and multi-mosaic labelling)”策略。

稀疏标记 (sparse labelling) 的理念很简单：与其标记所有细胞，不如只随机标记其中一小部分。研究人员将带有荧光标记的干细胞以大约2%的极低比例，与大量未标记的干细胞混合在一起。这样一来，在发育的类器官中，被点亮的细胞就像是夜空中的繁星，稀疏而清晰，彼此不会遮挡。这使得追踪单个细胞的运动、形态变化和邻里关系成为可能。

而多重镶嵌标记 (multi-mosaic labelling) 则更进一步。研究人员并非只使用一种颜色的荧光笔，而是准备了五支不同颜色的“荧光笔”，分别标记细胞的不同“器官”：细胞核 (nucleus)，用绿色荧光蛋白 (GFP) 标记组蛋白 (histone)，显示细胞的“大脑”；细胞骨架，用绿色荧光蛋白标记肌动蛋白 (actin) 或用红色荧光蛋白 (RFP) 标记微管蛋白 (tubulin)，展示细胞的“骨骼与肌肉”；细胞膜 (plasma membrane)，用红色荧光蛋白标记CAAX蛋白，勾勒出细胞的轮廓；以及核膜 (nuclear envelope)，用红色荧光蛋白标记核纤层蛋白 (lamin)，描绘出细胞核的边界。他们将这五种不同标记的细胞系与未标记细胞混合，创造出一个五彩斑斓的“镶嵌体”。通过复杂的计算解复用 (computational demultiplexing) 技术，研究人员可以准确地识别出每一个信号来自哪一种结构。

有了这些精巧的“演员”，还需要一个顶级的“摄影棚”。研究团队采用了光片显微镜 (light-sheet microscopy)。与传统显微镜用一束光从上到下穿透整个样品不同，光片显微镜从侧面用一片薄如纸张的光“切片式”地照亮样品。这种方法极大地降低了对细胞的光毒性，相当于用柔和的舞台灯光代替了刺眼的聚光灯，使得研究人员可以连续数周对类器官进行成像，而不会“烤伤”这些珍贵的样品。

最终，他们成功搭建了一个前所未有的“迷你大脑4D影院”。在这个影院里，他们不仅能看到组织宏观形态的演变，还能放大到单个细胞，观察其伸缩、迁移，甚至还能聚焦到细胞内部，看到细胞核的压缩、细胞骨架的重组。一部关于大脑如何“从无到有”的史诗级纪录片，即将上演。

首映礼——一部浓缩的“大脑”创世纪

当研究人员按下“播放”键，一场浓缩的“大脑”创世纪在我们眼前展开。

直播从第4天开始。此时的类器官还是一个由多能干细胞组成的、平平无奇的实心球体，被称为胚状体 (embryoid body)。然而，在接下来的几天里，戏剧性的变化发生了。到了第5天，球体内部开始出现一些微小的空腔，如同奶酪中的气孔。这些空腔就是未来脑室系统的雏形，被称为“管腔 (lumen)”。

随着时间的推移，这些管腔迅速扩张、融合，周围的细胞也开始变得不再“懒散”，它们逐渐伸长，排列成一层整齐的、围绕着管腔的神经上皮 (neuroepithelium)结构，这是大脑皮层最原始的结构单元。

通过对16个类器官的并行成像和精确的定量分析，研究人员记录下了这一过程的详细数据。从第4天到第8天，类器官的总体积惊人地增长了四倍。更有趣的是管腔的变化：管腔的数量先是急剧增加，从第5天的平均3.7个上升到第6天的13.4个，随后又在腔室融合中减少到第7天后的平均5.4个。这表明类器官的发育并非简单的线性膨胀，而是一个动态的重塑过程，充满了合并与整合。

整个过程可以被清晰地划分为三个阶段：1. 早期快速生长阶段（第4-6天），组织体积和管腔数量、体积都迅速增加；2. 组织稳定化阶段（第6-7天），多个小管腔融合成少数几个大管腔，组织结构趋于稳定；3. 神经上皮成熟阶段（第7天以后），管腔体积略有收缩，而周围的神经上皮细胞则继续分化和成熟。

这些细致的观察，为我们描绘了一幅标准的人脑类器官早期发育路线图。然而，研究人员并未止步于此。他们敏锐地意识到，在标准的培养方案中，有一个看似普通却可能至关重要的步骤——在培养基中加入一种名为Matrigel的物质。这是一种富含细胞外基质 (Extracellular Matrix, ECM) 的凝胶。细胞外基质，这个在教科书中常常被描述为细胞间“填充物”的东西，真的只是一个被动的支架吗？还是说，它才是这场发育大戏中，那位一直隐藏在幕后的真正导演？一个大胆的假设和一系列巧妙的实验，即将揭开一个惊人的秘密。

剧情反转——看不见的“基质”才是幕后推手

细胞外基质 (ECM) 并非简单的“细胞胶水”。它是一个由胶原蛋白、层粘连蛋白等多种大分子构成的复杂网络，不仅为细胞提供物理支撑，更是细胞间信息交流的高速公路。它能储存和释放生长因子，其自身的物理特性，如硬度、弹性，也能被细胞“感知”，从而影响细胞的行为。

为了探究ECM在脑类器官发育中的确切角色，研究人员设计了三组对照实验：1. Matrigel组（标准组）：按照常规方法，在培养基中添加富含ECM的Matrigel。2. 无基质组 (no-matrix group)：完全不添加任何外源性的ECM，让类器官在液体培养基中“自由裸奔”。3. 琼脂糖组 (agarose group)：将类器官包裹在一层惰性的琼脂糖凝胶中。琼脂糖能像一个物理屏障，模拟部分包裹作用，但它本身不具备ECM的生物活性。实验结果令人震惊，三组类器官走向了截然不同的发育道路。

在Matrigel的“精心呵护”下，类器官发育得“又大又好”。它们体积更大，内部形成了宽阔、规则的管腔。更重要的是，细胞表现出高度的组织性。通过后续的单细胞转录组测序分析，研究人员发现，这些类器官主要发育成了类似前脑 (prosencephalon)，特别是端脑 (telencephalon)的结构——这正是人类大脑中负责高级认知功能的部分。

而那些在无基质条件下“野蛮生长”的类器官，则完全是另一番景象。它们个头更小，形态不规则，内部的管腔狭小而杂乱。细胞类型的分析结果更是出人意料：它们几乎没有发育成前脑，反而产生了大量的后脑（尾侧化，caudalized）组织和神经嵴细胞 (neural crest cells)。神经嵴是在胚胎发育中产生的一类多能细胞，可以分化成周围神经系统、色素细胞和面部骨骼等，但在大脑皮层发育中通常不占主导。

琼脂糖组的结果则像一个“仲裁者”。这些类器官的发育介于前两者之间，这有力地证明了，Matrigel的作用不仅仅是提供一个物理性的包裹，其富含的ECM成分，通过其独特的生物化学和物理机械特性，主动地引导了类器官的命运。

这一发现是颠覆性的：外部的基质环境并非一个可有可无的“配角”，而是决定大脑区域身份（前脑 vs 后脑）的“总开关”。

在ECM的引导下，迷你大脑走上了通往“智慧之巅”（前脑）的康庄大道；而在没有引导的混沌中，它则迷失方向，走向了更原始的“本能之路”（后脑和外周结构）。这就像是播种，同样的种子，种在肥沃、结构良好的土壤里，和撒在贫瘠的沙地上，长出的将是完全不同的植物。那么，ECM究竟是如何向细胞传递“指令”，告诉它们应该成为“前脑”还是“后脑”的呢？研究人员决定继续深挖，寻找这个从物理环境到基因命运的分子信使。

揭开导演面纱——从物理“触感”到化学“指令”

研究人员将目光锁定在两个著名的信号通路上：WNT信号通路和Hippo信号通路。WNT通路在胚胎发育中扮演着“区域规划师”的角色，其信号分子的浓度梯度，决定了身体前后轴（头-尾）和背腹轴的模式建成。而Hippo通路，特别是其下游的一个关键效应蛋白YAP1，则是一个著名的“力学传感器 (mechanosensor)”。

YAP1蛋白像一个灵敏的细胞内探针，能够感知细胞所处微环境的物理线索。当细胞感受到外部的机械压力或处于一个更硬的环境时，YAP1就会被激活，进入细胞核，像一个转录因子一样，启动一系列特定基因的表达。研究人员提出了一个大胆的假设：ECM的缺失，改变了类器官的力学微环境，这种改变被YAP1感知，从而启动了决定后脑命运的WNT信号通路。

一系列的分子生物学实验证实了这一猜想。首先，他们发现，在无基质培养的类器官中，细胞核内的YAP1蛋白水平显著高于Matrigel培养的类器官。接着，他们发现，YAP1的激活直接导致了一个名为WLS (Wntless)的基因的表达急剧上调。WLS蛋白是WNT信号分子分泌所必需的“搬运工”。高水平的WNT信号，正是胚胎发育中指定“尾部”或“后部”身份的关键指令。

至此，一条清晰的分子调控链条浮出水面：

无外源性ECM → 细胞力学环境改变 → YAP1蛋白被激活并进入细胞核 → YAP1直接启动WLS基因的转录 → WLS蛋白促进WNT信号分子的分泌 → 高浓度的WNT信号将类器官“尾侧化”，使其发育成后脑和神经嵴组织。

这是一个石破天惊的发现。它完美地将物理线索（基质的有无）、力学传感（YAP1）和化学信号（WNT）这三个看似独立的层面，串联成一个决定大脑区域命运的因果链。

为了给这个结论提供“铁证”，研究人员进行了基因敲除 (knockout)。他们利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，在干细胞中敲除了WLS基因。结果正如预期：在没有外部基质的条件下，这些WLS基因敲除的类器官竟然“叛变”了！它们不再发生尾侧化，反而形成了更接近于Matrigel培养的、具有前脑特征的细胞群体。这个实验证明了，YAP1介导的WLS激活，是在没有外部基质时导致大脑类器官尾侧化的核心机制。

一扇窥探思想黎明的新窗口

通过这项里程碑式的研究，我们跟随研究人员的脚步，完成了一次对大脑发育奥秘的壮丽探索。

他们首先像一位高超的工程师，搭建了一座前所未有的“迷你大脑4D影院”，通过稀疏多重镶嵌标记和长时程光片显微镜技术，让我们得以“身临其境”地观看大脑从一个细胞球塑造成复杂组织的全过程。

接着，他们像一位敏锐的侦探，通过精巧的对比实验，发现了长期被忽视的“嫌疑人”——细胞外基质 (ECM)。他们揭示了，这个看似不起眼的外部环境，实际上是决定大脑区域身份（前脑vs后脑）的幕后主宰。

最后，他们像一位严谨的法官，通过一系列分子生物学和基因编辑的“审讯”，锁定了从物理线索到基因命运的完整证据链。他们证明了，细胞通过YAP1这个“力学传感器”感知外部基质的物理特性，进而调控WLS/WNT这个“化学信号轴”，最终决定了自身的命运归属。

这项工作不仅为我们理解大脑的早期发育提供了深刻的见解，更具有广泛的现实意义。它强调了在类器官研究中，模拟和控制其物理微环境的重要性，为未来培育出更逼真、更复杂的脑类器官模型指明了方向。这些更先进的模型，将成为研究自闭症、精神分裂症等神经发育性疾病的有力工具，也为药物筛选和再生医学带来了新的希望。

更重要的是，它让我们再次对生命的智慧肃然起敬。原来，一个能够思考宇宙的精密大脑，其最初的蓝图，竟部分地书写在细胞间那些无声的物理“触感”之中。每一次细胞间的挤压与牵拉，每一次与外部基质的轻柔接触，都可能是在低语着关于“成为谁”的古老密码。

这扇窥探思想黎明的新窗口已经被打开，透过它，我们看到的，是生命演化中最激动人心的篇章，也是通往理解我们自身起源的、充满无限可能的未来。

参考文献

Jain A, Gut G, Sanchis-Calleja F, Tschannen R, He Z, Luginbühl N, Zenk F, Chrisnandy A, Streib S, Harmel C, Okamoto R, Santel M, Seimiya M, Holtackers R, Rohland JK, Jansen SMJ, Lutolf MP, Camp JG, Treutlein B. Morphodynamics of human early brain organoid development. Nature. 2025 Jun 18. doi: 10.1038/s41586-025-09151-3. Epub ahead of print. PMID: 40533563.

Tags： Nature：“偷窥”大脑发育：首次4D直播“迷你大脑”发育，竟发现决定大脑区域的不是基因而是“细胞胶水”