如果說人體有哪一個(gè)器官是最不可或缺而又最神秘莫測(cè)的，那么答案一定是人腦。正是得益于高度發(fā)達(dá)且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的人腦，我們可以進(jìn)行順暢的交流對(duì)話、肆意的胡思亂想、以及在思考自我的過程中意識(shí)到自身在宇宙中的渺小。
甚至，我們?nèi)康南才?、性格?xí)慣，都是由這個(gè)不到3斤重、充滿脂質(zhì)的細(xì)胞團(tuán)所決定的。
然而，我們對(duì)自己的這個(gè)“CPU”卻仿佛知之甚少。即便人類已經(jīng)對(duì)神經(jīng)細(xì)胞和模式動(dòng)物的研究已經(jīng)令我們大大加深了對(duì)大腦的認(rèn)知，可畢竟人腦過于的復(fù)雜，所以至今為止，人腦發(fā)育過程中的諸多細(xì)節(jié)仍然是一個(gè)謎。
在今日上線的新一期《自然》雜志中，來自斯坦福的Pasca博士團(tuán)隊(duì)和來自哈佛的Arlotta博士團(tuán)隊(duì)發(fā)表了兩篇論文，不約而同地介紹了基于人類干細(xì)胞的“人造大腦”——類腦器官體對(duì)人腦發(fā)育的研究。
那么，到底什么是類腦器官體呢？
得益于干細(xì)胞科學(xué)的進(jìn)步，科學(xué)家通過對(duì)一些干細(xì)胞進(jìn)行化學(xué)誘導(dǎo)，這些干細(xì)胞可以分化成為神經(jīng)細(xì)胞。經(jīng)過懸浮培養(yǎng)，這些神經(jīng)細(xì)胞可以形成一個(gè)個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜而又鮮活的神經(jīng)細(xì)胞聚合團(tuán)，這些聚合團(tuán)常被稱作類腦器官體。
這些類腦器官體具有大腦的初級(jí)形態(tài)，但并不是真正的大腦，而是研究者為了研究而制造的簡化模型，就像船模一樣的各種模型。類腦器官體最初大多數(shù)被用在疾病研究中，最典型的就是寨卡病毒導(dǎo)致的小頭畸形這種與大腦形態(tài)大小相關(guān)的疾病。
圖 | 類腦器官體
眾所周知，人類大腦復(fù)雜且精細(xì)，需要上百萬的細(xì)胞協(xié)同工作。在這個(gè)過程中，抑制性神經(jīng)細(xì)胞對(duì)興奮性神經(jīng)細(xì)胞的調(diào)控起到了重要的作用。興奮—抑制失調(diào)被認(rèn)為是很多大腦疾病的根源，比如癲癇、孤獨(dú)癥等。
在胚胎發(fā)育過程中，興奮性神經(jīng)細(xì)胞在前腦背側(cè)產(chǎn)生，而抑制性神經(jīng)細(xì)胞在前腦腹側(cè)產(chǎn)生。在發(fā)育的隨后幾個(gè)月里，抑制性神經(jīng)細(xì)胞努力接近對(duì)方、融合、成熟、并整合成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這一過程是腦發(fā)育的一大里程碑，之前從未有人成功將此過程在體外建模。
為了在體外重建這一過程，Pasca團(tuán)隊(duì)通過不同的誘導(dǎo)，分別得到興奮性神經(jīng)細(xì)胞與抑制性神經(jīng)細(xì)胞聚合團(tuán)。他們將這兩個(gè)類腦器官體放到一起進(jìn)行培養(yǎng)。兩個(gè)細(xì)胞團(tuán)開始融合，抑制性神經(jīng)細(xì)胞穿過興奮性神經(jīng)細(xì)胞團(tuán)到達(dá)特定的位置，成功再現(xiàn)了這一過程。
圖 | 使類腦器官體融合
為了觀察疾病對(duì)抑制性神經(jīng)細(xì)胞遷移的影響，Pasca團(tuán)隊(duì)又使用提摩西綜合征（一種遺傳病，患者有孤獨(dú)癥的表現(xiàn)）患者體細(xì)胞培養(yǎng)分化出類腦器官體，進(jìn)行的相同的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果讓人欣喜。通過對(duì)抑制性神經(jīng)細(xì)胞的追蹤，他們發(fā)現(xiàn)患者的抑制性神經(jīng)細(xì)胞與健康細(xì)胞不同，并沒有特定的遷移方向。
Pasca博士認(rèn)為，造模成功為使用患者來源的類腦器官體進(jìn)行藥物篩選提供了可能。那么問題來了：這些“人造大腦”究竟有多像真正的人腦？
圖 | 一個(gè)白白胖胖的“人造大腦”
來自哈佛的Arlotta團(tuán)隊(duì)對(duì)這些問題有一個(gè)很好的回答。
他們猜測(cè)，也許通過長時(shí)間的培養(yǎng)，類腦器官體可以分化出更多的細(xì)胞類型。為了長時(shí)間培養(yǎng)，他們將干細(xì)胞形成的微型胚胎體“種植”在含有神經(jīng)誘導(dǎo)因子和神經(jīng)營養(yǎng)因子的培養(yǎng)液里。細(xì)胞團(tuán)就這樣在一個(gè)相對(duì)不受約束的環(huán)境中，慢慢生長了近一年的時(shí)間。
結(jié)果是讓人興奮的，或者說是驚人的。
為了研究類腦器官體中細(xì)胞的多樣性，他們對(duì)來自 31 個(gè)人類來源的類腦器官體中的 8,000 多個(gè)細(xì)胞進(jìn)行了單細(xì)胞測(cè)序，并分析它們的基因轉(zhuǎn)錄組特點(diǎn)。
他們發(fā)現(xiàn)類腦器官體中的不僅僅有星型膠質(zhì)細(xì)胞，神經(jīng)上皮細(xì)胞等成分，還有廣泛且多樣的神經(jīng)細(xì)胞，包括多巴胺能神經(jīng)細(xì)胞，前腦神經(jīng)細(xì)胞，甚至視網(wǎng)膜中的感光細(xì)胞、雙極細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。進(jìn)一步的分析還發(fā)現(xiàn)了上述細(xì)胞多種亞型的存在，說明類腦器官體中細(xì)胞有極高的多樣性。
圖 | 類腦器官體
在類腦器官體生長的前六個(gè)月，研究者觀察到各種神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)逐漸發(fā)育成熟，產(chǎn)生樹突棘等結(jié)構(gòu)。這說明它們正在與其他神經(jīng)細(xì)胞建立連接。
除此之外，研究者還發(fā)現(xiàn)先前存在的視網(wǎng)膜感光細(xì)胞進(jìn)一步分化成視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞，與人體中自然生長的過程十分相似。
生長到8個(gè)月時(shí)，類腦細(xì)胞體中甚至形成了活躍的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)轭惸X細(xì)胞體中存在感光細(xì)胞，研究者十分好奇這些感光細(xì)胞是否有功能，并激活相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。研究者將記錄神經(jīng)細(xì)胞電活動(dòng)的電極插入類腦細(xì)胞體，來記錄神經(jīng)細(xì)胞興奮時(shí)產(chǎn)生的電活動(dòng)。
當(dāng)把一束光照在類腦細(xì)胞體上時(shí)，其中的感光細(xì)胞產(chǎn)生了劇烈的電信號(hào)變化。隨后，這些感光細(xì)胞，使網(wǎng)絡(luò)中的一系列細(xì)胞都興奮了起來，點(diǎn)亮了整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)！
這意味著類腦器官體可以形成有功能的神經(jīng)環(huán)路，在某種程度上具有類似真腦的自我調(diào)控功能。這些結(jié)果都表明類腦器官體在很多方面成功模擬了人腦，雖然在可見的幾年之內(nèi)它還不能發(fā)展成為真正的人腦，但更加遙遠(yuǎn)的未來還真的說不準(zhǔn)。
也許有一天，人們可以根據(jù)自己的腦中的連接定制“人造大腦”，復(fù)制自我的思想，甚至以一種奇怪的方式“長生不老”。想到這里，你，怕了么？
-End-
參考文獻(xiàn)：
https://www.wired.com/2017/04/scientists-brew-creepiest-batches-brain-balls-yet/
http://dx.doi.org/10.1038/nature22047
編輯：沙吉惠/Verdi
聯(lián)系客服
