科学家培育出具有可识别脑电波的“迷你大脑”

这些豌豆大小的细胞团看起来不怎么起眼，但它们是“迷你大脑”，也称为脑类器官，是使用人类干细胞在实验室中培育出来的。

科学家首次培育出具有类似人类神经网络、能产生类似于早产儿脑电波的“迷你大脑”。这项工作来自加州大学圣地亚哥分校的一个科学家团队，他们的研究于周四发表在《细胞干细胞》（Cell Stem Cell）杂志上。

“我们以前从未有过能像人脑一样运作的脑类器官，”生物学家兼研究员艾莉森·穆奥特里（Alysson Muotri）说。“这些脑类器官的电活动发出了我们在正常人类发育过程中所看到的东西。所以，这强烈表明我们所拥有的应该能像人脑一样工作和运作。”

这些脑类器官距离真正的大脑还有很远。但穆奥特里表示，这是朝着在实验室中培育出完全形成并功能齐全的人脑迈出的一步。

脑类器官有朝一日可以为科学家提供更清晰的视角，了解大脑发育过程中发生的一切。自闭症、癫痫、躁郁症、抑郁症、自闭症和精神分裂症等神经和精神疾病被认为与我们大脑的发育方式有关。

“在怀孕期间研究[胚胎人脑]是不道德的，所以我们不得不依赖其他模型，主要是动物模型，而这些模型与人脑相去甚远，”穆奥特里说。“而且我们知道许多神经系统疾病发生在这些非常特殊的阶段。大多数与自闭症相关的基因在胎儿阶段有表达或活动的峰值，但你只会在稍后的生活中看到行为后果。”

制造“迷你大脑”

为了在实验室中培育“迷你大脑”，科学家们取出皮肤干细胞，并将其重新编程为多能干细胞，这种细胞可以发育成任何类型的身体细胞或组织。从那里，研究人员将它们置于模拟我们大脑生长环境的细胞培养物中。

他说：“通过给它们一个良好的环境，神经元就会茁壮成长，产生更多的突触，并花时间成熟，形成大脑进行计算所需的这些微电路。”

在10个月的时间里，这些“迷你大脑”显示出脑电波活动（由神经元放电触发的电信号）的持续增加，类似于在发育中的大脑中观察到的情况。

在两个月大时，这些“迷你大脑”首次开始以单一频率发出一些稀疏的电活动，类似于不成熟人脑中看到的。但到10个月大时，这些“迷你大脑”产生了跨越一系列频率的规律脑电波活动，类似于年龄较大的胎儿或婴儿的大脑。这表明“迷你大脑”的神经元已经成熟并相互连接，形成了网络。

但最终，类器官中的电活动趋于平稳，仿佛它们停留在婴儿期。

“原因可能是你需要更多的细胞，或者条件不理想，”穆奥特里说。“或者，也可能是人脑在九个月后需要输入。而输入会进一步发展这些网络。”

尽管需要做更多的工作来了解如何将类器官带到大脑发育的后期阶段，但该团队可能已经发现了一些挑战先前关于人脑发育信念的东西。研究人员曾认为子宫中的胎儿接收到来自外部世界的声音和其他感官信息，这有助于他们的神经网络成熟。但对于类器官来说，情况并非如此。

他说：“我们已经表明，不，你可以在子宫外拥有一个大脑，它没有来自外部的刺激，它会产生这种复杂的网络活动……大脑是预先编程好以这种方式连接的。”

尽管脑类器官在某些方面可能像人脑一样运作，但它们距离真实的大脑还有很远的距离。例如，它们缺乏提供营养的血管系统，而且并非所有细胞类型都得到了代表。

而且，据科学家所知，这些类器官不具备意识。但是，创造一个有意识的“迷你大脑”可能并没有听起来那么牵强。穆奥特里说，五年前，生产一个具有神经网络的类器官的想法似乎是不可能的。但考虑到他和他的团队所取得的成就，他乐观地认为科学家们将培育出越来越像人类的大脑。

“我认为我们将学会如何制造不同的大脑区域并将它们连接起来：一个与人类丘脑相连的人类皮层，再加上一个海马体。通过将这些部分连接起来，我们也许能够重建对学习很重要的电路，例如。然后我们就可以理解人脑如何学习、处理信息和存储记忆。我认为在未来五到十年内，这一领域将会有很多进展。”