文献速递 | 历时 5 年培养！Nature 揭秘：人脑类器官竟然拥有 “时间记忆”

2026/09/02

EastMabBio

类器官究竟能不能真正模拟人类器官？这是过去几年类器官研究一直在追问的问题。与小鼠等模式动物相比，人类大脑发育和成熟的时间非常漫长，从胚胎期到出生后仍会持续发育，而皮层神经元的成熟甚至可以延续二十年。因此，传统短周期的脑类器官培养，很难完整模拟人类出生后漫长的神经发育过程。

最近发表于 Nature 的一项研究将人脑皮层类器官培养长达5年，并发现这些类器官能够随着培养时间持续发生细胞转录组和表观遗传层面的变化，甚至能够“记住”自己已经经历了多久。

研究方案：

Paola Arlotta团队构建了覆盖 6个月 → 1年 → 1.5年 → 2年 → 3年 → 4年 → 5年的脑类器官，结合往期从15天到6个月的单个类器官的数据集，总共纳入 110 个类器官样本。整合单细胞转录组、DNA甲基化、神经元形态、突触结构、神经网络活动等多维度数据，对不同培养时间点的类器官进行系统分析。

1. 多组学检测

单细胞转录组（scRNA‑seq）：解析不同时间点各类细胞基因表达动态
全基因组甲基化测序（WGBS）：利用 Horvath 泛组织表观时钟、皮层特异性时钟评估细胞生物学年龄

2. 形态与功能验证

电生理记录（MEA）：使用多电极阵列记录类器官中神经网络的电活动
电子显微镜（EM）：观察突触密度和髓鞘形成
膨胀显微镜（ExM）：结合条形码标记，对单个神经元的复杂分支结构进行3D重建和量化
免疫染色评估细胞类型、髓鞘、活性标记物
构建异时嵌合类器官（chimeroid）：混合不同培养时长的类器官细胞，探究祖细胞的时间记忆潜能

3. APM培养基开发（Activity‑Permissive Medium，活性允许培养基）

基于 BrainPhys 基底培养基，调整葡萄糖、离子至更接近生理状态，添加 GlutaMAX 降低氨毒性；再补充 BDNF、GDNF、db‑cAMP、抗坏血酸、层粘连蛋白。实验在培养第 70 天将类器官切换至 APM 培养基；对照组沿用传统 CDM4 培养基。

研究结果一：长期培养的类器官从分子层面复刻人脑发育轨迹

人类大脑类器官细胞能够准确模拟大脑在妊娠期以及出生后最初几年内的分子发育过程。DNA甲基化，特别是与年龄相关的CpG位点的甲基化，是生物学年龄的强有力分子指标，脑类器官中CpG位点甲基化的程度与体外培养时间也高度相关。

（1）将类器官细胞映射到内源人皮层参考数据后，转录年龄会与体内发育轨迹对齐：

15天至2个月类器官 → 妊娠早期胎儿脑；

3-6个月类器官 → 妊娠中期；

9个月至5年的类器官 → 晚期产前和产后阶段；

12个月以上的类器官 → 出生后样特征

（2）DNA 甲基化水平随培养时间逐步升高，之后趋于稳定；Horvath 时钟、皮层特异性时钟预测的表观年龄与类器官体外培养时间高度相关，证明 DNA 甲基化可以作为类器官 “体外生物学年龄” 的分子时钟。

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研究结果二：老的祖细胞可以记住自己的年龄从而表达相应时期的神经元

作者进行了一项“嵌合体”实验。小鼠内源性体系中，将培养 2-3 周的"老"祖细胞与新鲜的 E11.5 皮层细胞（异时嵌合）混合培养；人体系中，将来自“年老”（9-12个月）人脑类器官的细胞，与来自“年幼”（15天）类器官的细胞混合培养。

小鼠异时嵌合类器官中，老细胞在异时环境下依旧能产生SATB2+晚期神经元；

人异时嵌合类器官中，年轻的神经前体细胞产生其培养阶段对应的早期神经元，而年老的细胞即使受到诱导其向早期神经发生命运分化的信号刺激，也会“跳过”早期子代细胞的生成过程，直接生成通常需要两三个月培养后才出现的后期神经元（CPN、胶质前体细胞和星形胶质细胞）。

证明祖细胞记得自己已经度过多长发育时间，这份记忆刻在细胞内部，即便放到全新微环境也不会消失。

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研究结果三：优化的APM培养基可以长期维持兴奋性神经元与网络活动

之前的研究表明，神经元的“自发性放电”可提高其存活率，但传统CDM4培养条件并不足以支持长期神经元活动。于是Paola Arlotta团队优化出了一种能够促进神经元自发活动的APM培养基。实验在培养第 70 天将类器官切换至 APM 培养基；对照组沿用传统 CDM4 培养基。

（1）CPN晚期神经元的数量与高级认知功能的进化有关。在9个月时，APM培养类器官的CPN（SATB2+）数量显著增加，活跃CPN（SATB2+FOS+）也明显增多。电子显微镜（EM）定量分析显示，1年时APM类器官的树突棘频率和突触密度都更高，突触成熟和稳定化增强。

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（2）APM培养的神经元展现出更长的总轴突长度、更远的延伸距离、更多的终末分支和更复杂的树突分支结构，标志着神经元达到了更高的成熟度。

（3）RNA-seq显示APM类器官中兴奋性神经元亚型的比例增加，而胶质细胞和抑制性神经元的比例则相应减少。APM 类器官中的兴奋性神经元在成熟指数中始终得分更高。

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（4）APM类器官的放电频率和网络爆发频率均显著高于CDM4组。

（5）电生理记录显示，APM组类器官在1年和2年时依然表现出强劲的网络爆发活动，而CDM4对照组的类器官在1年时几乎检测不到网络活动，这表明APM不仅维持了神经元存活，还支持了功能性神经网络的形成。

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