十多年来，科学家们一直尝试从零开始培育人体器官——包括肾脏、肝脏、皮肤和肠道。这些“类器官”并非完全成型的功能性器官，而是微型版本，可帮助研究人员模拟各种疾病并测试疗法。
这听起来可能像B级电影的俗套情节，但现在科学家们已经培育出一种迷你大脑，其神经活动类似于在早产婴儿中观察到的情况。之前的努力已将干细胞培育成类似大脑的神经元集合，但直到现在，还没有任何研究表明大脑活动可以模仿真实情况。像真正的大脑一样运作的类器官可以帮助科学家研究一系列神经和精神疾病，例如癫痫、中风和精神分裂症。
为了培育其类器官，加州大学圣地亚哥分校的一个团队使用了人类诱导多能干细胞。这些细胞取自成人皮肤或血液，并被重新编程为干细胞，然后可以将其培育成体内几乎任何细胞，例如肾脏或肝脏细胞——或者，正如新研究中那样，大脑皮层中的神经元，大脑皮层是大脑中控制复杂思想和行为的部分。科学家通过将干细胞浸泡在含有正确转录因子混合物的溶液中来实现这种转变，转录因子是通过调节基因的开启或关闭来指导胎儿发育的分子。加州大学圣地亚哥分校的研究人员通过开发一种生长混合物改进了这一过程，该混合物允许他们培育的迷你大脑比之前的研究中发育更长的时间。在他们培养的数百个皮质类器官中，许多在近一年后仍然存活。
支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
随着类器官的发育，该团队使用微小的电极来测量它们产生的任何电活动。仅仅两个月后，研究人员检测到分散的脑电波活动，频率大致单一，非常类似于在未成熟的人类大脑中观察到的情况。到10个月时——当每个类器官大约豌豆大小时——迷你大脑的活动以不同的频率跳动，并且变得更有规律，就像在成熟的人类大脑中随着新的神经元连接的建立而发生的那样。这一发现暗示，通过发育，类器官正在建立功能性突触，突触是神经元之间允许它们交流并产生运动、感觉和思想的连接。
“最令人兴奋的方面是看到来自仅占人类大脑一小部分的东西的[如此]多的活动，”新研究的资深作者、加州大学圣地亚哥分校的生物学家 Alysson Muotri 说。他说，到目前为止，大多数科学家都会说这种结果在实验室中是不可能实现的。
Muotri 解释说，在许多神经和精神疾病中，大脑在物理上是完整的，但受损的神经元回路会导致疾病。他认为皮质类器官可以帮助科学家研究神经连接障碍，其中包括自闭症、癫痫和精神分裂症。
“这些是非常有趣的发现，”艾伦脑科学研究所首席科学家兼总裁 Christof Koch 说，他也是大众科学的顾问委员会成员，但未参与这项研究。“该领域发展非常迅速，但这比人们迄今为止所做的要多得多。这非常酷。”
Koch 说，皮质类器官的临床潜力巨大。它们可用于模拟疾病和测试各种疗法，同时减少早期试验中对人类和动物研究对象的需求。总部位于旧金山的 System1 Biosciences 公司正在这样做，希望开发治疗脑部疾病的新疗法。此外，Koch 认为类器官可用于替代丢失或受损的脑组织。“原则上，如果您因中风、枪伤或痴呆症等原因失去了一块大脑，类器官可用于替换该组织并重新学习大脑功能，”他说。
类器官研究员 Jürgen Knoblich 也未参与这项新工作，他同意新发现是朝着更有效地识别有希望的治疗方法迈出的重要一步，这些治疗方法值得推进到动物和人体研究中。然而，“我们在解释此类实验时也需要谨慎，”他警告说。“一些科学家对与真实人类胎儿大脑的比较持怀疑态度。” 奥地利分子生物技术研究所的临时科学主任 Knoblich 进一步指出，研究中的电极记录仅提供了大脑活动的二维读数，而三维数据将更具说明性。
在小塑料培养皿中培养人类最复杂的器官——我们思想、个性和行为的所在地——对于许多人来说可能在道德上令人不安。但就目前而言，Koch 并不太担心伴随培育接近大脑的物体而来的显而易见的伦理问题：“需要明确的是，没有人会将这些与真正的大脑混淆，”他说。“它们[几乎可以肯定]感觉不到任何东西，”因为它们缺乏感知疼痛的神经元和处理疼痛的回路。他指出，此类类器官没有血管供应，因此它们无法长得比 Muotri 研究中的那些大得多。
然而，随着干细胞工程师能够产生越来越大的“大脑”，这种限制可能会改变。如果它们确实开始感觉到什么呢？它们会感到痛苦吗？或者，更糟的是，感到极度痛苦吗？我们又如何知道呢？
“一旦你有了意识，你就不再是物体；你是一个主体。科学家需要以一种避免任何痛苦的方式做到这一点，除非它是为了更高的目标服务，比如，例如，治疗癌症的小鼠模型，”Koch 说，他一直主张减少对动物的伤害，理由是它们有意识并且能够感觉到疼痛。
在1983年的经典邪典电影The Man with Two Brains中，史蒂夫·马丁饰演的角色——一位名叫迈克尔·赫夫鲁赫鲁尔的神经外科医生——爱上了一个装在罐子里的、名叫安妮的无实体大脑。然而，Knoblich 并不担心这种弗兰肯斯坦式的闹剧会很快发生。他认为皮质类器官将用于模拟大脑功能的不同方面，而不是模仿整个大脑。“在我看来，任何暗示这些类器官将达到真正人类大脑复杂程度的说法都是具有误导性的，并且是对我认为原本是一个非常令人兴奋的领域的危险夸大，”他说。
但毫无疑问，随着类器官技术的进步，学术伦理委员会将在相当长一段时间内保持忙碌。