组织形态影响人类大脑类器官发育的时间程序

该研究探讨了组织形态如何影响人类大脑类器官发育的时间程序。研究者们利用大脑类器官作为模型，研究了形态和命运之间的关系，发现组织形态和细胞在空间中的位置对细胞身份的时间进展有影响。通过系统地测试关键的协议变化，研究者们识别了影响类器官形态的因素，并观察到形态扰动对细胞命运的影响，从而揭示了组织形态与细胞命运之间的相互依赖性。研究表明，发育中的大脑细胞需要适当的空间坐标才能进行正确的时间进展，这对于理解大脑发育和可能的疾病模型具有重要意义。

图1展示了不同协议变化对大脑类器官形态的影响，包括使用小分子进行胚胎体(EB)模式化、Matrigel暴露以及在神经上皮扩张期间生长因子的使用。通过这些变化，研究者们观察到从早期胚胎体形态到后来神经上皮形态的演变，并通过主成分分析(PCA)揭示了不同处理条件下类器官在形态空间上的分布，指出了类器官随着成熟而形态复杂度的增加。此外，通过免疫组化分析，研究者们还发现形态上的差异反映在脑室数量和大小的变化上，从而强调了形态学参数对于理解和控制类器官发育的重要性。

图2通过免疫组化分析展示了不同形态的大脑类器官在宏观结构上的差异，包括脑室的大小和数量，以及与这些宏观结构变化相关的细胞类型组成。研究者们观察到，经生长因子处理的类器官相比未处理的类器官具有更多和更大的脑室，但在更分化的细胞类型（如中间前体细胞和神经元）的数量上呈现减少趋势。此外，通过形态测量和免疫组化分析，研究者们发现形态参数与宏观架构参数之间存在高度相关性，表明类器官的表面复杂性与它们拥有的脑室数量和大小密切相关。研究还测试了其他直接影响形态的扰动，如完全省略Matrigel或改变培养摇床的速度，这些操作对类器官的宏观架构产生了显著影响。最后，通过机械 dissociation-reaggregation实验，研究者们发现细胞位置的扰动导致缺乏可辨识的脑室，从而导致细胞类型组成和空间分布的改变，进一步证实了组织形态对细胞命运和类器官质量的重要性。

图3通过单核RNA测序（snRNA-seq）分析了形态不同的大脑类器官的转录组特征，揭示了类器官形态与细胞身份之间的关系。研究发现，更复杂的类器官形态与体内人类胎儿大脑发育的转录组相似性更高，而形态扰动导致细胞命运进程的异常。通过聚类和差异基因表达分析，研究者们鉴定了不同的祖细胞和神经元亚群，并观察到细胞类型特异性标记的表达。此外，通过与体内人脑发育数据集的比较，研究者们发现形态评分较高的类器官在转录组上更接近体内发育中的大脑，而形态评分较低的类器官则表现出与体内发育中的大脑相似性降低，表明组织形态是预测类器官质量和转录组相似性的一个重要因素。

图4利用空间转录组技术（Molecular Cartography）展示了大脑类器官中细胞的空间分布和它们的身份，揭示了组织结构对细胞命运时间进展的影响。研究发现，具有复杂细胞结构的类器官（如CO和CO noMG）在空间上正确地限制了神经前体细胞（RG）在脑室区（VZ）的分布，并且能够在次脑室区（SVZ）中检测到中间前体细胞（IPCs），以及在皮层板（CP）中正确分隔深层（DL）和上层（UL）神经元。相反，在形态简单的CO noMG类器官中，观察到神经前体细胞标记物在神经元区域的扩散，以及早期神经前体细胞和晚期产生的抑制性神经元（INs）的混合，表明简单的细胞结构导致了细胞命运时间进展的混乱。此外，通过将snRNA-seq数据与空间图谱相结合，研究者们能够在空间上映射出不同的细胞类型，并观察到类器官中细胞命运的时间动态，进一步证实了组织形态对于维持类器官中细胞类型正确空间定位和时间进展的重要性。

图5通过实验展示了类器官的空间结构如何直接影响细胞的时空身份。研究者们首先通过将成熟的大脑类器官进行解离和重聚（dissociation-reaggregation，DISS）来扰乱其细胞结构，然后利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）跟踪这些扰动对细胞命运的长期影响。此外，研究者们还通过将健康类器官封装在低变形的琼脂糖水凝胶中（constrained morphology organoids，CONS）来施加物理限制，从而直接改变类器官的形态。这些实验结果表明，无论是通过DISS还是CONS操作，都导致了细胞身份的混合表达，即一些细胞同时表达前体细胞和神经元标记，显示出空间结构的扰乱会导致细胞在时间和身份上的混乱。这些发现进一步证实了组织形态对于细胞命运和发育时间进展的重要性，强调了在大脑类器官研究中考虑形态因素的必要性。

图6通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据分析，揭示了在形态学上受到扰乱的大脑类器官中，细胞如何在空间上失去正确的定位从而导致时间身份的混合。研究者们观察到，无论是通过机械解离重聚(DISS)还是物理限制(CONS)的类器官，都出现了表达前体细胞和神经元标记的混合身份细胞群。这些细胞群在UMAP图中被特别标记，并通过对这些细胞群进行基因本体(GO)分析，发现与细胞成熟和分化相关的生物过程受到影响。此外，通过热图展示单个细胞中前体细胞和神经元标记的表达水平，确认了这些混合身份细胞群中存在同时表达这两种标记的单个细胞。这些结果表明，空间结构的扰乱不仅影响了细胞的空间排列，还影响了它们的成熟时间和身份，从而证实了组织形态对于维持细胞命运和发育时间进展的重要作用。

该研究通过系统地测试关键的协议变化，使用人脑类器官作为模型，揭示了组织形态和细胞定位对细胞身份的影响。研究发现，类器官的形态和组织结构能够预测其细胞命运，并且通过单核RNA测序（snRNA-seq）和空间转录组学分析，研究人员观察到形态扰动对细胞命运的影响。研究表明，具有更复杂形态的类器官更好地模仿了体内人类胎儿大脑的发育。此外，类器官的细胞位置和组织结构的适当排列对于细胞进行正确的时间进展至关重要。研究还发现，通过细胞重聚和物理约束（如使用水凝胶封装）直接扰乱组织结构会导致细胞身份的时间进展中断，从而支持了组织结构和细胞命运之间的联系。这些发现强调了在研究大脑发育和疾病模型时，考虑类器官形态和组织结构的重要性。

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