科学家试图在培养皿中培育大脑组织的想法，会让人联想到各种可怕的心理画面（配上恐怖电影音乐）。但该研究的现实与科幻愿景相去甚远——而且永远都会如此，该领域的研究人员表示。事实上，该研究领域的领导者之一，加州大学旧金山分校的阿诺德·克里格斯坦说，现实情况与一些科学家所描述的情况并不相符。
在1月29日发表于《自然》杂志的一篇论文中，克里格斯坦和他的同事们确定了从37个不同的类器官中提取的235,000个细胞中哪些基因是活跃的，并将它们与来自正常发育大脑的189,000个细胞进行了比较。根据这项研究，类器官——有时被称为“迷你大脑”，这让一些科学家感到懊恼——并不能完全准确地代表正常的发育过程。
脑类器官是由干细胞制成的，干细胞从一种细胞类型转化为另一种细胞类型，直到最终变成神经元或其他成熟细胞。但根据《自然》杂志的论文，它们并不总是完全完成这种发育过程。相反，类器官往往最终会产生尚未完全转化为新细胞类型的细胞——而且它们没有重建正常大脑的组织结构。精神和神经发育疾病——分别包括精神分裂症和自闭症——以及神经退行性疾病，如阿尔茨海默病，通常特定于特定的细胞类型和回路。
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研究表明，许多类器官细胞都显示出代谢压力的迹象。克里格斯坦说，当研究小组将类器官细胞移植到小鼠体内时，它们的身份变得“更加清晰”，并且它们的行为更像正常细胞。他补充说，这一结果表明，培养这些细胞的培养条件与正常发育的大脑的培养条件不符。“细胞压力是可逆的，”克里格斯坦说。“如果我们能够逆转它，我们很可能会看到细胞的身份同时得到显着改善。”
加州大学旧金山分校的神经病学教授、Eli & Edythe Broad再生医学和干细胞研究中心主任克里格斯坦说，脑类器官在概括小簇神经元的活动方面越来越好。科学家们经常用患有不同疾病的人的细胞来制作类器官，以更好地了解这些疾病。但一些科学家可能在对他们从患者特异性脑类器官中获得的见解提出主张时走得太远了。“我会对此保持谨慎，”克里格斯坦说。“其中一些变化可能反映了细胞的异常基因表达，而实际上并未反映真正的疾病特征。因此，这是科学家需要解决的问题。”
一些研究人员断言，在培养皿中生长的小细胞球可能能够重建大脑某些部分的某些方面，但它并非旨在代表整个大脑及其复杂性。一位科学家曾说过，这些类器官并不比从手术中从患者身上取出的大脑组织更具有感知能力。
当然，模型永远不是完美的。尽管动物模型已经为大脑发育带来了基本的见解，但研究人员一直在寻找类器官或“培养皿中的器官”，正是因为将生物学见解从其他物种推断到人类的局限性。例如，阿尔茨海默病在小鼠身上已经被治愈了数百次，但在我们人类身上却从未被治愈。
宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院神经科学教授洪君宋说：“尽管如此，目前的模型在解决人类大脑发育中的一些基本问题方面已经非常有用了。”他没有参与这项新研究。他补充说，最近的研究表明，使用脑类器官，寨卡病毒会攻击神经干细胞，引起一种反应，这可以解释为什么一些在子宫内接触寨卡病毒的婴儿会发育出异常小的大脑。
干细胞专家迈克尔·内斯特没有参与这项新研究，他说他自己的类器官对于识别出自闭症患者大脑细胞中生长的异常活动非常有帮助。他指出，它们最终将有助于筛选潜在的药物。
哈佛大学干细胞和再生生物学系主任保拉·阿洛塔说，即使模型永远只是一种简化，类器官的工作仍然至关重要，她也没有参与这项《自然》杂志的研究。她说，神经精神病理学和神经发育疾病通常是由大量基因变化引起的，这些变化过于复杂，无法在啮齿动物身上建模。
该领域的另一位领导者塞尔吉乌·帕斯卡说，克里格斯坦和他的团队遇到的细胞压力实际上可能在某些情况下很有用，有助于在培养皿中创造导致神经退行性疾病的条件。斯坦福大学助理教授帕斯卡说：“我认为最令人兴奋的特征仍然是我们能够在体外衍生神经细胞和神经胶质细胞，了解它们在培养皿中的内在成熟程序。”他没有参与这篇新论文。
阿洛塔说，当暴露于小鼠大脑环境时，改善细胞质量的能力表明，有可能克服当前的一些局限性。目前还没有在实验室中制作脑类器官的单一方案，这可能对该领域的早期阶段是最好的。她说，最终，科学家们将优化和标准化这些细胞的生长条件。
阿洛塔还是哈佛大学戈卢布家族干细胞和再生生物学教授，去年她在《自然》杂志上发表了一项研究，表明她和她的同事们可以在六个月的时间内制造出能够可靠地包含适用于人类大脑皮层的多种细胞类型的类器官。她说，类器官工作必须在伦理框架内完成至关重要。阿洛塔是一个联邦资助的生物伦理学家和科学家团队的成员，他们共同努力确保此类研究在伦理上进行。她说，科学家们向生物伦理学家介绍研究的现状，而伦理学家则向科学家们介绍他们工作的影响。
内斯特深感科学、政策和公众意识与干细胞研究联系起来的重要性，他已经暂停了他在胡斯曼自闭症研究所的实验室工作，接受了美国科学促进会为期一年的科学和技术政策研究员职位。 他说，他担任这个职位是为了确保公众和政策制定者了解他们需要了解的关于类器官和其他尖端科学的知识，并学习如何与他们交流科学。
所有接受本文采访的科学家都同意的一点是，这些脑类器官并非真正的小型大脑，也没有人试图在培养皿中构建大脑。克里格斯坦说，即使研究人员学会制造更多细胞类型并在更真实的条件下培养它们，他们也永远无法复制大脑的结构和复杂性。他补充说：“正常大脑的精妙组织对其功能至关重要。” 大脑“仍然是自然界创造的最复杂的结构”。