實驗室“迷你大腦”中發現類似人類的腦電波

2019年10月11日 10:43 次閱讀 稿源:新浪科技 條評論

科學家以非侵入性的方式研究人類大腦的方法之一,就是在實驗室里培育“迷你大腦”。這些微型大腦其實是大腦細胞的集群,其體積約為豌豆大小。近日,一個研究團隊報告稱,他們從這些腦類器官(brain organoid)中觀察到了類似人類的腦電波。這是一個相當令人驚奇的進展。

腦類器官的橫截面

10個月大的腦類器官,大小與豌豆類似

此前對微型大腦的研究已經展示了運動和神經束的發育過程,但這項新研究則是首次記錄了似人類的神經活動。領導該研究的是加州大學圣迭戈分校的生物學家艾里森·穆特里(Alysson Muotri)。在近日發表在《細胞·干細胞》(Cell Stem Cell)雜志上的論文中,研究人員寫道,他們觀察到的腦電波模式類似于發育中的人類嬰兒大腦。穆特里表示,微型大腦是一個先進的體外模型,在這一發現的基礎上,科學家可以利用微型大腦來研究大腦發育、對疾病建模,以及了解大腦的演化。

“我們擅長研究癌癥,也擅長研究心臟,”穆特里說,“但大腦的研究已經落后了。”

在學術上,這些微型大腦被稱為類器官(organoid)。為了培育它們,研究人員將多功能人類干細胞引入一個富含營養的培養皿中,這個培養皿旨在模擬我們大腦發育的環境。由于干細胞的多能性(即它們有可能發育成不同類型的細胞),通過刺激,它們可以形成一種三維結構,看上去類似于正在發育的人腦,盡管體積要小得多。在大約兩個月的培育過程中,研究小組開始注意到微型大腦的神經網絡中出現了神經活動的波峰,這是以往沒有觀察到的。

研究人員之一、博士生理查德·高(Richard Gao)表示,在開始觀察這些間歇性的電活動時,他們的初衷并不是尋找微型大腦和人類嬰兒大腦之間的相似性。

“我們發現這些類器官(電活動)振蕩的一個顯著特征是,它們是爆發式的:這個網絡在大部分時間是不活躍的,大約每隔10到20秒,就會自發地發生一輪活動,”理查德·高說,“這讓人想起早產兒的一個特征,即腦電活動不連續。在這種情況下,嬰兒的腦電圖(EEG)在大部分時間都非常不活躍,不時出現強烈的振蕩瞬變……我們當時非常幸運,找到了一個數據集,里面報告了早產兒腦電圖的這些特征。”

研究團隊訓練了一種機器學習算法,來識別早產兒腦電圖的突出特征,并用其評估人類大腦與腦類器官的相似性。穆特里指出,該算法能夠預測在培養過程中類器官發育了多少周,而在發育到25至40周之間時,該算法就不能再區分腦類器官和嬰兒的腦電圖。

但是,穆特里澄清道,這兩者之間的比較并不一定是一對一的。早產兒的腦電圖具有某些特征和局限性,包括發育中的人類顱骨厚度對讀數的影響,因此與實驗室培養的腦類器官有所不同。穆特里表示,出于研究的目的,他們排除了這些不可比較的變量。

然而,為了真正鞏固這些結果,研究人員表示,嬰兒腦電圖和類器官之間的差異需要得到調和。

加州大學舊金山分校的神經學家阿諾德說:“我認為,這種類器官活動與早產兒腦電圖有多么相似是不大可能的。”他說:“類器官中自發活動的發育相當有趣,研究人員已經令人信服地表明,這依賴于神經元的活動。但是,類器官與實際發育的大腦皮層非常不同,以至于即使現象學上是相似的,我們仍然需要更好的證據來證明潛在的機制是相同的……這就像對蘋果和桔子進行比較:雖然它們都是水果,但其實是不一樣的。”

盡管如此,克里斯坦仍表示這項研究是回答這些問題的重要一步。

穆特里指出,該實驗和其他類似實驗提出的另一個問題是,微型大腦是否可以被認為具有意識,以及未來可能會出現什么樣的倫理困境。克里格斯坦認為,這些腦類器官還沒有發育到可以被認為具有意識的程度。

對此穆特里的看法是,他還不能做出肯定的回答。“我最初的回答是,‘我不這么認為’,但事實是,無論如何我們都沒有證據,”他說,“我們還沒有測試的方法。”

為了解決這個問題,穆特里計劃于今年10月在加州大學圣迭戈分校與一些科學家、哲學家和倫理學家舉行會議,討論此類技術在未來的倫理前景。

“我總是傾向于說,就像其他任何技術,比如接受輸血或器官移植,甚至是普通汽車,”穆特里說,“這些技術的應用都有好的方面,也有壞的方面,但作為人類社會而言,我們要同時看到這兩方面……我認為腦類器官也會朝著同樣的方向發展。”

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