人工培養的「大腦」發出第一聲問候！首次檢測到腦電波信號，與人類胎兒一致

圖源：CogniDiet

早在2008年，科學界就利用幹細胞在培養皿里養出了「迷你大腦」，神經科學家稱其為研究大腦最完美的方法。如今有科學家從其中檢測到了腦電波信號，波圖形同早產胎兒大腦。或許這將成為揭示大腦與意識奧秘的第一步？

撰文丨楊心舟

本月，美國聖地亞哥召開了2018年度神經科學學會會議，來自加州大學聖地亞哥分校的Alysson Muotri在大會中介紹了他們團隊的最新研究：利用多能幹細胞誘導培養的「迷你大腦」可以釋放出類似人的腦電波，其電波圖與早產胎兒極為相似。

迷你大腦

人類大腦的功能性活動得益於細胞網路連接構成的複雜迴路，以及在迴路中有規律的神經振蕩，即我們熟知的「腦電波」。它在許多物種的大腦中都能被檢測到，影響著個體的認知能力、行為能力以及疾病狀態。要解開縈繞神經科學多年的大腦謎團，首先就需要對大腦整個發育過程有詳細的時間和空間上的認知。

科學家現在已經在實驗動物中有了一定的發現，小鼠無論是在產前還是出生後，其腦部都能觀測到有規律的神經網路活動，例如行波、早期神經振蕩、去極化電位。同樣，這種大腦的複雜網路發育在人類胎兒出生後的早期成長過程中是可以被檢測到的，但是想要在產前進行觀察就存在技術和倫理上的難題。

因此，一種被稱作「類器官（Organoid）」的實驗室細胞團模型應運而生。它是在體外，利用技術手段讓細胞進行三維生長的一種方法，其根據不同的細胞種類或者誘導胚胎干或多能幹細胞不同分化方向，可以生長出特定器官的迷你解剖結構，因此也被稱作「迷你器官」。

人類大腦（左），迷你大腦（右）相同區域結構圖。圖源：MRC Laboratory of molecular biology

早在2008年，來自日本的科學家就已經報道稱，在實驗室利用胚胎幹細胞培養出了「迷你腦」——大腦皮質的部分結構。同樣現在在劍橋分子生物研究所室任職的Madeline Lancaster ，表示其在2011年讀博期間，就致力於在實驗室進行「大腦培養」，她同樣利用胚胎幹細胞在培養皿中長出了球狀細胞團塊，在進一步觀察後她確認這些細胞是來自視網膜中的暗細胞，切開細胞團後，裡面還能檢測到神經元的存在。

培養皿中的腦電波

從2010年開始，世界各地開始興起幹細胞培養類器官的風潮。至今，其都被視為在體外研究人類器官發育機理、疾病和進行藥物篩查的最完美方法，劍橋大學MRC幹細胞研究所所長Austin Smith曾在2015年稱其為「五年來幹細胞領域最重要的發展」。Alysson Muotri也是眾多「迷你大腦」研究人員之一，一直嘗試在其中尋找與人類大腦形成過程中類似的神經網路活動。

Alysson Muotri。圖源：Paiva Junior

他與同事利用人類誘導性多能幹細胞培養出了大腦皮層結構，為了驗證其功能性神經網路的形成，他對許多分化大腦細胞以及標誌物進行了檢測。在「迷你大腦」形成初始，大量增殖的神經前體細胞（NPCs）自我組裝成了神經上皮樣的結構，類似於人類皮層的發育過程。後續增殖出部分成熟的神經元，發育出多層次的結構，包含NPCs、中間前體細胞、上下層大腦皮層神經元。並且他們對生長6周的「迷你大腦」進行了單細胞基因檢測，其表達的基因與人類大腦發育過程中表達的完全相同。

接下來他們從「迷你大腦」表面對腦電波（EEG）進行檢測，在6個月時，它們釋放的電波頻率比以往任何實驗室培養的類大腦器官發出的都要強。在發育完整的大腦中，腦電波處於一種可預測的規律協調狀態，但是迷你大腦發出的腦電波圖並沒有規律，反而與發育中的大腦電波模式極為相似。他們通過對比，發現其與25-39周的早產兒腦電圖如出一轍。

迷你大腦（上），早產胎兒（中），成年人（下）的腦電波圖。圖源：文獻

不過，Muotri自己也表示這種實驗室大腦與真實的人類大腦還是有一定差距，它還缺乏某些腦皮層細胞類型，並且沒有和其他的腦結構區域進行連接。也有學者指出培養皿中的大腦放出類似人類的腦電波，並不意味著它們的性質是一樣的。換句話說，即使電波圖一樣，二者可能正在做的事情並不相同。但現在要去證明它們在做相同的事幾乎難以實現，因為人們對現實中嬰兒大腦的研究都處於剛剛起步階段。

最近Nature新聞對此項研究也進行了詳細報道，其中來自賓夕法尼亞大學費城分校的發育神經學家HongjunSong對其表示出非常樂觀的態度，「這個現象非常有意思，並且令人震驚。」儘管這個研究還在初級階段，但是它證實了類器官在研究大腦發育中不可取代的作用，並且具有無限前景。

Song本身也致力於迷你大腦研究，他稱「迷你大腦」算得上是一種尚有爭議的外號，因為有些科學家擔心這種描述會讓人真的以為其是一個微型的完整大腦，但其實它們還只是一個無法思考的細胞團。然而這種細胞團也是一枚火種，正照亮著還基本處於漆黑的腦科學以及意識研究。

究竟有無意識？

現在，不同的實驗室已經利用幹細胞培養出了多種區域的腦結構，從最初有學者提出該項技術，到再次更新僅僅花了五年。培養皿已經成為了細胞的主場，科學家把其稱作Hands-off Processing，也就是自然發生過程。科學家只要將特定物質和細胞進行混合，幹細胞就自己長成了一個包含上百萬神經元的球狀細胞團。

目前研究人員正嘗試讓這些迷你器官能存活更長的時間，來自凱斯西儲大學Insoo Hyun在培養的類器官生長到一年的時候，甚至在實驗室親自為其演唱了生日快樂歌；一些科學家也嘗試將培養出的不同區域的迷你腦結構進行一個混合，組裝成一個「迷你大腦集合」；也有實驗室正將培養的迷你大腦移植到小鼠腦內，看其是否能生長得更久，結構更加完整。儘管從目前的結果看來，移植的迷你腦僅僅只會佔據小鼠大腦非常微小的一部分。

Song的實驗室同樣在100天左右，培育出了類似大約6個月胎兒期大腦結構的「迷你大腦」。 「人們更加擔心這種培育出的腦類器官會不會和真實的人腦一樣，」 Song表示，「我們還離那一步差很遠。」有人會想問：它們會不會有意識？但是在我們完全解釋什麼是意識之前，可能並不能給出答案。

Song實驗室的學生正在處理培養出的「迷你大腦」。圖源：Washington Post/Jessica Kourkounis

持續推進的實驗，也讓科學界開始擔憂他們培育的這些東西真的會有意識。艾倫腦科學研究所的Christof Koch表示他們有時候會收到從腦手術病人身上切下來的腦組織，「我們甚至不知道它們算不算還活著，這些離體腦組織在3-4天後，其神經元個體仍能作出反應。」

當然，以現在科學水平還沒有辦法對此進行斷定，因此「迷你大腦」要面臨的倫理道德問題壓力並不小，從歷史上其他技術的誕生與發展中也可見一斑。在「多利羊」誕生後，克隆技術開始席捲全球，同時，如影隨形的是鋪天蓋地的倫理批判。但如今，人們對克隆技術的態度緩和了許多，今年1月中國首次培育出了克隆猴「中中」和「華華」，受到的禮遇，是來自全球各界的極度讚揚。

中國科學家率先在克隆猴技術上獲得突破。圖源：China Daily

科學倫理問題是生物學、醫學發展過程中不可避免的話題，但其消除的速度，卻也只能依仗於科學家的參與程度與科學的發展速度。培養皿里的大腦究竟發展到什麼程度需要停止，怎樣停止？如果能發展成為人類器官供體來源，是否還要對其進行限制？現在沒有人知道答案，這些問題或許也只能留給科學和時間來回答。

參考鏈接：

https://www.biorxiv.org/content/biorxiv/early/2018/09/03/358622.full.pdf

https://www.nature.com/news/the-boom-in-mini-stomachs-brains-breasts-kidneys-and-more-1.18064

https://www.nature.com/articles/nature12517

https://www.washingtonpost.com/national/health-science/lab-grown-brain-bits-open-windows-to-the-mind--and-a-maze-of-ethical-dilemmas/2018/09/02/9a76efee-a25b-11e8-83d2-70203b8d7b44_story.html?utm_term=.78ca25168cf0

https://www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/group-leaders/h-to-m/madeline-lancaster/

《環球科學》12月刊現已上市

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