實驗室培養的迷你大腦，產生了腦電波……

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十月齡如豌豆大小的類器官。圖片來源：Muotri Lab

近日，來自美國加州大學聖地亞哥分校的科學家用發育了功能性神經網路的幹細胞創造了「迷你大腦」。儘管這些實驗室發育的大腦比人腦小一百萬倍，但它們是第一個被觀察到產生類似早產兒腦電波的大腦。該研究已發表在8月29日的《Cell Stem Cell》上，它可以幫助科學家更好地理解人類大腦的發育。

研究通訊作者、加州大學聖迭戈分校的生物學家Alysson Muotri說：「我們在體外觀察到的神經活動水平是前所未有的，這離實際生成複雜神經網路的這些早期階段的模型又近了一步。」

Alysson Muotri

這些豌豆大小的大腦，稱為腦類器官，來源於人類多能幹細胞。通過將它們置於模擬大腦發育環境的培養物中，幹細胞分化成不同類型的腦細胞，並自組織成類似於發育中人腦的三維結構。

圖片來源：《Cell Stem Cell》

科學家們已經成功地培育出類似人腦細胞結構的類器官。然而，之前的模型都沒有開發出類似人類的功能神經網路。已知當神經元成熟並相互連接時，網路就會出現，它們對於大多數大腦活動都是不可或缺的。

Muotri說：「你可以用腦類器官來做幾件事，包括了解正常的人類神經發育、疾病建模、大腦進化、藥物篩選，甚至是為人工智慧提供信息。」

腦類器官的橫截面，顯示皮質板的初步形成。每種顏色標誌著不同類型的腦細胞。圖片來源：Muotri Lab

Muotri及其同事設計了一種更好的幹細胞生長方法，包括優化培養基配方。這些調整使他們的類器官比先前的模型更加成熟。該團隊在10個月的時間裡培養了數百個類器官，並使用多電極陣列監測它們的神經活動。

多電極陣列產生的圖像顯示腦類器官的活躍程度，紅色表示非常活躍，黑色表示靜默。圖片來源：Muotri Lab

研究團隊在大約兩個月的時候開始探測到來自類器官的腦電波。這些信號很稀疏，但具有相同的頻率，這是在未成熟人腦中可以觀察到的模式。隨著類器官繼續生長，它們會產生不同頻率的腦電波，信號出現的頻率也更有規律。這表明類器官進一步發展了它們的神經網路。

Muotri說：「這是擁有更多功能突觸的結果，神經元之間形成了更多連接，它們之間的相互作用產生不同頻率的信號。」

為了比較早期發育過程中類器官的腦波模式和人腦的腦波模式，該團隊訓練了一種機器學習演算法，記錄了39名6到9個半月大早產兒的腦電波。該演算法能夠預測這些類器官在培養液中發育了多少周，這表明它們與人腦有著相似的生長軌跡。

然而，Muotri說：「這些類器官不太可能具有意識等精神活動，它們仍然是一個非常初級的模型。我們沒有人腦的其他部分和結構，所以也可能這些腦電波與真實大腦中的活動沒有任何關係。在未來，我們可能會獲得一些非常接近人腦中控制行為、思想或記憶的信號。現有的證據還不夠充分。」

未來，該團隊的目標是進一步改善類器官，並利用它們來了解與神經網路功能障礙相關的疾病，如自閉症、癲癇和精神分裂症。

Muotri說：「作為一名科學家，我希望能夠越來越接近人類大腦。因為這樣做，我可以幫助患有神經疾病的人，給他們更好的治療和生活質量。但這要由我們來決定極限在哪裡，可能是技術還沒有準備好，或是我們不知道如何控制技術。這與圍繞CRISPR嬰兒的討論是一樣的，這就是為什麼我們要有倫理委員會來代表社會的各個方面。」

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