生成和长期培养高级大脑类器官以研究神经发育的后期阶段

具体来说，大脑类器官（或称为脑类器官）是一种体外培养的组织，能够模拟真实大脑的结构和功能，为研究大脑发育和疾病提供了一个强大的工具。这些类器官可以通过不同的技术从多能干细胞（如人类胚胎干细胞或诱导多能干细胞）生成，并且可以在体外培养条件下模拟人类大脑发育的早期阶段。然而，早期的类器官培养方法存在一些限制，比如难以可靠地生成具有特定区域身份（如大脑皮层）的类器官，以及难以长期维持类器官的存活和成熟。因此，这项研究的目标是改进现有的类器官培养技术，以便能够可靠地生成具有特定大脑区域特征的高级大脑类器官，并能够在更长的时间内维持它们的存活和成熟，从而更好地模拟和研究人类大脑发育的后期阶段，这对于理解神经发育障碍和疾病具有重要意义。

图1提供了一个关于如何生成和改进大脑类器官（cerebral organoids）的实验流程的视觉概览，以及这些类器官在空气-液体界面（ALI）培养下的长期存活和成熟的关键阶段。图中展示了从类器官生成的最初阶段，例如通过纤维微支架（fibrous microscaffolds）促进神经诱导（neural induction），到形成具有明显大脑皮层（cortical plate）的成熟类器官。此外，图中还展示了在ALI培养条件下，类器官如何被嵌入低熔点琼脂糖（low-melt agarose）并进行切片，以及这些切片如何被转移到细胞培养插入物（cell culture inserts）上进行后续的培养和分析。整个过程强调了在类器官培养中形态学特征的重要性，这些特征可以作为判断类器官发育成功和质量控制的关键指标。

图2展示了通过改进的大脑类器官模型所获得的预期结果，这些结果来自于对类器官进行组织学和免疫组织化学分析。图中包括了对类器官在不同发育阶段进行染色的图像，展示了类器官内部结构的组织方式，例如神经上皮（neuroepithelium）的形成、大脑皮层板的径向排列细胞核（nuclei）以及轴突（axons）和树突（dendrites）的标记。这些图像证明了改进的类器官模型能够模拟人类大脑皮层的复杂结构，包括形成类似中枢神经系统的纤维束（tracts），这些纤维束在类器官内部延伸，并随着时间的推移而成熟。此外，图中还展示了使用特定标记物（如NeuroD2、TUBB3和SMI312）对神经元和轴突进行免疫荧光染色的结果，这些标记物揭示了神经元的形态和神经网络的复杂性。总体而言，图2强调了改进的大脑类器官模型在模拟人类大脑发育方面的潜力，并为研究神经发育和相关疾病提供了一个强大的实验工具。

图3通过一系列图像展示了大脑类器官在形态学上的特征和亚优形态，这些图像反映了类器官在神经上皮形成和大脑皮层发育过程中的不同阶段。图中展示了具有良好形态的神经上皮芽，它们明亮、边界平滑，并且具有明显的径向厚度，这是神经分化的积极迹象。相反，图中也展示了亚优形态的类器官，包括那些未能正确形成神经上皮芽的类器官，它们要么非常薄且曲折，要么缺乏明显的腔室和边界，这些特征可能表明非神经身份或细胞死亡。此外，图中还展示了具有良好形态的大脑皮层叶，它们具有明显的边界和突出的形态，以及亚优形态的类器官，它们可能缺乏可见的皮层叶和存在多个囊肿，以及中心区域组织混乱。这些图像提供了对类器官质量的关键质量控制指标，并强调了在类器官培养中实现均匀和有效神经分化的重要性。

研究成果表明，通过改进的大脑类器官（cerebral organoids）培养技术，科学家们能够可靠地生成具有特定大脑区域特征的高级类器官，并能在长期培养中维持其存活和成熟。这些类器官能够模拟人类大脑发育的后期阶段，包括轴突生长和神经元成熟，为研究神经发育障碍和相关疾病提供了一个强大的实验模型。此外，研究还展示了如何通过不同的方法对类器官进行稀疏标记和电穿孔，以便在活体成像中观察神经元的形态和神经网络的活动。这些成果不仅提高了类器官在神经科学研究中的应用价值，也为未来的神经发育研究和治疗策略的开发提供了新的工具和方法。

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