大脑类器官长出神经回路，开始产生可识别的脑电波

一团团活着的、几乎能动的脑细胞——这正是科学家们在调整培养皿中培养脑组织的方法时所创造出来的。与此同时，另一个团队采用了不同的方法，在类似的实验室培育的迷你器官中产生了脑电波。

这两篇论文分别于3月和8月发表在《自然·神经科学》和《细胞干细胞》杂志上，对培养称为脑器官的现有技术进行了修改。在器官中，人类干细胞首先被诱导成为脑细胞，然后这些脑细胞会自我组织成类似于发育中大脑的三维结构。

到目前为止，脑器官的一个局限性是缺乏血管。这意味着铅笔橡皮擦大小的团块中间的细胞会因缺乏氧气和营养而死亡。

但麦德琳·兰开斯特（Madeline Lancaster），一位在医学研究委员会分子生物学实验室工作的发育生物学家，也是《自然·神经科学》论文的通讯作者，有一个想法：“为什么不把它们切开呢？”通过制作由膜隔开的薄片，整个脑器官都可以暴露在氧气和营养中。“发育中的脑组织这样就能很好地存活，”她说。

这些细胞不仅存活且健康，还形成了像发育中胚胎那样的神经回路。在小鼠胚胎的脊髓和相邻肌肉被放置在脑器官旁边两周后，肌肉开始运动，表明脑器官和脊髓之间形成了功能连接。兰开斯特第一次看到运动时欣喜若狂。“单个肌肉单元必须协调一致地收缩，才能使整个肌肉移动，”兰开斯特说。“看到这种情况在培养皿中发生，这让我震惊。”

《细胞干细胞》论文的科学家们采取了不同的途径：他们花了四年时间优化蛋白质的浓度和时机，以帮助脑细胞生长。然后，他们将脑器官生长在电极上，希望这种优化方案能让神经元形成具有可检测电活动的网络，就像真正的大脑一样。

经过四个月的努力，这种电活动开始呈指数级增长。到九个月时，其强度比在体外记录到的任何数据都高出10万倍。接下来，该团队将活动的模式和复杂性与从同龄的早产儿收集的数据进行了比较。到25周时，一个计算机程序在区分脑器官数据和婴儿脑电波方面遇到了困难。

加州大学圣地亚哥分校的生物学家、该论文的通讯作者艾莉森·穆奥特里（Alysson Muotri）对脑器官在没有完整大脑或身体输入的情况下产生复杂的脑电波感到惊讶。这就像它们遵循某种脚本。“人类发育的早期阶段是完全由基因编码的，”他说。“大脑知道该做什么，信息就存在细胞里面。”

两组人都认为他们的新技术是有用的实验室工具，可以用于研究疾病和治疗方法。兰开斯特关注连接受损的疾病，如脊髓损伤和肌萎缩侧索硬化症，而穆奥特里则希望用患有癫痫或自闭症谱系障碍的人的细胞来制造脑器官，以研究他们异常的脑电波。

现在，实验室培养的神经元能够更长时间地保持健康，兰开斯特也希望能够研究大脑发育的后期阶段。与此同时，穆奥特里已经在考虑其他的调整。当被问及他们能否在培养皿中更接近地模拟真实大脑时，他说：“如果五年前你问我，我会说这是不可能的。而现在，我会说这是不可避免的。”