△ 大脑皮层和视网膜
在正常胚胎发育过程中 ， 视网膜原基起源于前脑区域的间脑两侧 ， 随后突出隆起并在间脑远端内陷 ， 进而产生视泡 。 因此 ， 科学家们初步猜想：视网膜类器官的不完善可能与大脑前脑区域组织缺失有关 。
△ 视网膜在胚胎中发育过程
因此 ， 充分理解视网膜胚胎中发育过程 ， 不仅有助于研究人脑发育过程中“脑-眼”相互作用 ， 也对于早期视网膜疾病的研究意义重大 。
2021年8月17日 ， 来自德国杜赛尔多夫海因里希海涅大学Jay Gopalakrishnan团队在Cell Stem Cell杂志在线发表了题为Human brain organoids assemble functionally integrated bilateral optic vesicles的研究论文 。 通过修改将iPSC转化为神经组织的培养条件 ， 研究人员成功地在大脑类器官中诱导出了双侧对称视杯（optic cup ， 视觉系统的组成部分之一） ， 并发现这种结构可以感知光线 ， 同时将信号发送给大脑的其他区域 。
△ Cell Stem Cell试验成果发表
相比以往研究试验 ， 该试验人员对培养条件进行了调整：首先采用一个较低细胞密度（诱导产生一个类器官iPSCs起始数量为1×104）开始诱导培养；随后在神经外胚层扩展时期 ， 在培养基中添加不同浓度（0-120 nM）醋酸视黄醇（retinol acetate） 。 培养第30天左右 ， 添加60nM醋酸视黄醇的组织中产生“颜色结构” ， 可能就是原始的“眼睛” 。 通过免疫荧光染色 ， 研究者在这些类器官的有色区域检测到眼睛相关标识基因：RAX ， Pax6和FOXG1的明显表达 。
进一步分析发现 ， 在SOX2阳性的内陷区域 ， FOXG1呈现梯度表达 。 说明这些类器官中的视觉区域与前脑区分离 ， 与人胚胎发育过程中的眼睛发育过程一致 。
△ 视泡脑类器官（OVB-Organoids）培养步骤
当这些类器官培养到50-60天 ， 原始“眼睛”发展成为了一个或两个成熟可见类视神经泡结构 ， 该类器官被称为视泡脑类器官（optic vesicle brain organoids OVB-organoids） 。 同时 ， 研究者利用来自于5个不同捐赠者(donors)共20批次iPSCs稳定诱导产生了高度可重复性OVB类器官（成功率：donor 1 - 91%；donor 2 - 65%; donor 3 - 70%; donor 4 - 43%; donor 5 - 40%） 。
△ 具有双侧对称视泡大脑类器官（培养60天）
进一步研究发现 ， OVB类器官中包含丰富的神经细胞群（神经元、小胶质细胞和视网膜细胞等）及非神经细胞群（例如晶状体和角膜组织） 。 将OVB中视觉结构与胚胎视网膜和视网膜类器官进行比较 ， 发现三者细胞类群特征极其相似 。
随后 ， 为证实OVB类器官中是否存在成熟的、有功能的神经元 ， 研究人员通过全细胞膜片钳记录实验对OVB类器官中“眼睛”进行深入探索 ， 发现某些动作电位对河豚毒素（TTX钠通道抑制剂）时而敏感时而抵抗 ， 说明OVB类器官中的神经元细胞是有功能 ， 其中有一部分是视网膜细胞（特异性表达TTX抵抗的电控钠通道） 。 通过视网膜电图记录实验（ERG）对视网膜信号进行了量化分析 ， 发现随着光强度增加 ， ERG振幅增大 ， 说明OVB类器官能对光线做出反应 。 随后分析发现 ， OVB类器官中视网膜结构与大脑相应区域相连 ， 能将光感信号通过电活性传递到大脑其他区域神经元网络中 。
虽然该试验 ， 目前OVB类器官只能存活60天 ， 时间较短 。 但该研究首次成功将视网膜结构在功能上整合到大脑类器官中 ， 在体外系统中再现了视网膜神经节的神经纤维向外延伸 ， 与大脑目标区域相连接的过程 。 这一系统可以帮助人们研究胚胎发育过程中“脑-眼”相互作用 ， 同时为视网膜疾病（如黄斑变性）的发生机制探究和治疗提供强有力工具 ， 极大推动视网膜类疾病治疗技术的发展 。
【神经元|iPS诱导多能干细胞引领人脑类器官新突破：迷你大脑“长眼睛”了】
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