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Maturation and circuit integration of transplanted human cortical organoids

类有机物 神经科学 光遗传学 生物 体感系统 移植 皮质激素生成 人脑 神经干细胞 生物神经网络 感觉系统 干细胞 皮质(解剖学) 神经网络 细胞生物学 祖细胞 医学 内科学
作者
Omer Revah,Felicity Gore,Kevin W. Kelley,Jimena Andersen,Noriaki Sakai,Xiaoyu Chen,Min-Yin Li,Fikri Birey,Xiao Yang,Nay L. Saw,Samuel W. Baker,Neal D. Amin,Shravanti Kulkarni,Rachana Mudipalli,Bianxiao Cui,Seiji Nishino,Gerald A. Grant,Juliet K. Knowles,Mehrdad Shamloo,John R. Huguenard,Karl Deisseroth,Sergiu P. Paşca
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:610 (7931): 319-326 被引量:285
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05277-w
摘要

Abstract Self-organizing neural organoids represent a promising in vitro platform with which to model human development and disease 1–5 . However, organoids lack the connectivity that exists in vivo, which limits maturation and makes integration with other circuits that control behaviour impossible. Here we show that human stem cell-derived cortical organoids transplanted into the somatosensory cortex of newborn athymic rats develop mature cell types that integrate into sensory and motivation-related circuits. MRI reveals post-transplantation organoid growth across multiple stem cell lines and animals, whereas single-nucleus profiling shows progression of corticogenesis and the emergence of activity-dependent transcriptional programs. Indeed, transplanted cortical neurons display more complex morphological, synaptic and intrinsic membrane properties than their in vitro counterparts, which enables the discovery of defects in neurons derived from individuals with Timothy syndrome. Anatomical and functional tracings show that transplanted organoids receive thalamocortical and corticocortical inputs, and in vivo recordings of neural activity demonstrate that these inputs can produce sensory responses in human cells. Finally, cortical organoids extend axons throughout the rat brain and their optogenetic activation can drive reward-seeking behaviour. Thus, transplanted human cortical neurons mature and engage host circuits that control behaviour. We anticipate that this approach will be useful for detecting circuit-level phenotypes in patient-derived cells that cannot otherwise be uncovered.
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