根據(jù)一項新的研究，科學(xué)家們在實(shí)驗室里創(chuàng)造了微型大腦，形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，并產(chǎn)生了類似于人類早產(chǎn)嬰兒大腦發(fā)育時產(chǎn)生的腦電波。

在實(shí)驗室培育微型大腦的想法并不新鮮;研究人員這樣做已經(jīng)將近十年了。但大多數(shù)研究都使用了這些微型大腦或“類器官”來研究大型結(jié)構(gòu)。

例如，據(jù)《生活科學(xué)》雜志先前報道，一組研究人員開發(fā)出了可以培育血管的微型大腦。另一組研究人員讓小腦袋瓜接觸寨卡病毒，以了解寨卡病毒是如何導(dǎo)致小頭畸形的。

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但在條件如自閉癥,精神分裂癥、雙相情感障礙,甚至抑郁,“大腦是完整的問題依賴于網(wǎng)絡(luò)的操作,“研究高級作者Alysson Muotri,副教授的細(xì)胞和分子醫(yī)學(xué)和干細(xì)胞項目主任加州大學(xué)圣地亞哥。這是實(shí)驗室培育的大腦首次形成復(fù)雜的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的腦電波。

為了做到這一點(diǎn)，Muotri和他的團(tuán)隊采集了人類干細(xì)胞哪一種細(xì)胞可以根據(jù)正確的指令變形成任何類型的細(xì)胞來源于人的皮膚和血液。研究人員將這些干細(xì)胞暴露在化學(xué)指令下，這些化學(xué)指令會將這些細(xì)胞變成腦細(xì)胞。

在很大程度上，這些細(xì)胞形成了神經(jīng)祖細(xì)胞，這是一種特定于大腦的細(xì)胞，能夠增殖并產(chǎn)生多種類型的腦細(xì)胞。在實(shí)驗室培養(yǎng)皿中培養(yǎng)兩到五個月后，這些祖細(xì)胞會形成谷氨酸能神經(jīng)元，即具有“興奮性”的腦細(xì)胞，或傳遞信息的腦細(xì)胞。

大約四個月后，迷你大腦停止產(chǎn)生興奮性神經(jīng)元，開始產(chǎn)生星形膠質(zhì)細(xì)胞。這些腦細(xì)胞幫助形成突觸，即腦細(xì)胞之間傳遞信息的神經(jīng)遞質(zhì)或大腦化學(xué)物質(zhì)的間隙。最后，祖細(xì)胞開始產(chǎn)生抑制性神經(jīng)元，抑制大腦活動，或阻止神經(jīng)元傳遞信息。Muotri說，這時“活動開始變得更加復(fù)雜，因為現(xiàn)在我們正在平衡興奮和抑制”。

Muotri說，在細(xì)胞分裂和分化的過程中，它們最終開始“自我組織，形成類似于人類皮層的東西”。皮層是大腦的外層，在意識中起著重要的作用。

事實(shí)上，“迷你大腦”并不像人類大腦的迷你版本。Muotri說，相反，它們是白色的球形小點(diǎn)，漂浮在它們生長的紅湯中。它們的直徑只有0.2英寸(0.5厘米)，但它們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)持續(xù)進(jìn)化了9到10個月才停止，他說。

在微型大腦的整個生長過程中，研究小組使用了一組連接神經(jīng)元的微型電極來測量大腦活動。研究人員發(fā)現(xiàn)，在大約兩個月的時候，迷你大腦中的神經(jīng)元開始發(fā)出零星的信號，頻率都是一樣的。Muotri說，經(jīng)過幾個月的發(fā)展，大腦發(fā)出不同頻率和更有規(guī)律的信號，表明大腦活動更加復(fù)雜。

Muotri說，以前的研究表明，實(shí)驗室制造的迷你大腦可以產(chǎn)生腦細(xì)胞放電，但研究人員報告說，他們每分鐘放電約3000次。然而，在這項研究中，神經(jīng)元每分鐘發(fā)射近30萬次，“更接近人類大腦，”他說。

隨后，研究小組使用了一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，將這些迷你嬰兒的大腦活動與早產(chǎn)嬰兒的大腦活動進(jìn)行了比較。研究人員對他們的程序進(jìn)行了訓(xùn)練，以了解39名6到9個半月大的早產(chǎn)兒的腦電波。

然后，科學(xué)家們將迷你大腦的腦電波模式輸入到算法中，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過25周的迷你大腦發(fā)育后，它不再能夠區(qū)分來自人類大腦的數(shù)據(jù)和來自實(shí)驗室培養(yǎng)的大腦的數(shù)據(jù)。Muotri說:“這讓人很困惑，他們的年齡是一樣的。”這表明，迷你大腦和人類大腦的生長和發(fā)育是相似的。

這個研究顯示“很好,你可以把這個可再生的實(shí)驗系統(tǒng),可以解決發(fā)展的過程,所以基本一個人”,托馬斯·哈爾頓博士說,約翰霍普金斯大學(xué)的主任替代動物實(shí)驗中心還致力于發(fā)展mini-brains在實(shí)驗室里,但他并沒有研究的一部分。

“胚胎大腦的不可接近性是這些模型提供一些不同的東西的原因之一，”他說。“但這也意味著你說它是真貨的機(jī)會非常有限。”他補(bǔ)充說，雖然腦電圖信號與早產(chǎn)嬰兒的相似，但在時間上略有偏差。

雖然人類胚胎與母體相連，因此接收來自外界的信號，但這些實(shí)驗室培育的大腦與任何東西都沒有連接。“這些細(xì)胞沒有輸入也沒有輸出，它們無法識別世界上發(fā)生的任何事情，”Hartung說。所以他們“絕對沒有”意識。

這是大多數(shù)科學(xué)家都會同意的，但“很難說，”Muotri說。“我們神經(jīng)學(xué)家甚至對如何測量人們是否有意識的看法不一。”

人類大腦發(fā)出信號來幫助我們與環(huán)境互動。例如，我們看著一只蟲子，眼睛向腦細(xì)胞發(fā)送信號，腦細(xì)胞互相發(fā)送信號，讓我們知道我們看到了一只蟲子。

那么，為什么這些實(shí)驗室培育的大腦會發(fā)出信號呢?他們可能在談?wù)撌裁茨?Muotri說:“這是一個我們不知道的問題，因為胚胎大腦實(shí)際上是一個黑匣子。”他說，似乎在這些早期階段的大多數(shù)信號都包含了“自我連接”或相互連接的指令。

無論如何，他說他希望這樣的研究能幫助我們理解早期的大腦線路是如何形成我們復(fù)雜的大腦的，以及當(dāng)線路出錯時會發(fā)生什么。

Muotri和他的團(tuán)隊說，他們現(xiàn)在希望進(jìn)一步刺激類腦器，看看它們是否能發(fā)育超過9到10個月。研究人員還想建立大腦紊亂的模型，例如用取自自閉癥兒童的細(xì)胞來制造大腦器官，以了解他們的大腦網(wǎng)絡(luò)是如何發(fā)展的。

 細(xì)胞干細(xì)胞研究結(jié)果發(fā)表在今天(8月29日)的雜志上。

最初發(fā)表在 生活科學(xué)。