这三个孩子的第一次大脑发育时，情况完全失控，他们患上了严重的癫痫和自闭症。现在，生物学家利用这些患有毁灭性疾病——蒂莫西综合征的患者的干细胞，第二次培育他们的大脑——在实验室培养皿中，以微缩的形式。
科学家们在周三的《自然》杂志上报告说，这些迷你皮层忠实地重现了异常的大脑发育，这项研究可能为预防或治疗这种罕见疾病指明方向。
在培养皿中生产迷你蒂莫西综合征大脑只是“脑类器官”这一新兴科学领域中取得的非凡新进展之一。“脑类器官”是微型的、三维的、类人脑的结构。科学家们希望，这些实验室的创造物能够比小鼠大脑（目前的首选）更好地模拟严重的精神和神经疾病，如精神分裂症、自闭症和阿尔茨海默病，揭示出错之处，并为实验性治疗提供试验场所。
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但是，自从2013年首次从干细胞中创造出脑类器官以来，它们就引发了激烈的伦理辩论，包括它们是否会遭受痛苦、感到疼痛或有意识——以及它们是否拥有人权。
虽然这似乎有些牵强，但在周三发表在《自然》杂志上的第二项研究中，描述了在特殊的生物反应器中，从健康人的干细胞中培养数百个脑类器官长达九个月或更长时间。这些迷你大脑发育出数十种脑细胞，从在大脑皮层中产生神经元的细胞，到连接右脑和左脑的细胞。它们连接成工作电路——不会产生思想或情感，但会像人类大脑那样产生电活动。
奥地利分子生物技术研究所的尤尔根·克诺布利奇（Juergen Knoblich）说：“这表明该方法具有比我们想象的更大的潜力。” 他是创建脑类器官的先驱，但没有参与这两项研究。“他们已经表明，如果你让[迷你大脑]生长足够长的时间，它将产生我们在人脑中看到的全部细胞。”
明尼苏达大学的生物学家蒂莫西·奥布莱恩（Timothy O'Brien）表示，这两篇新论文“为我们提供了前所未有的观察人类大脑及其发育的方式”，他也利用干细胞生成了脑类器官，但没有参与这项新研究。他说，这两项研究的关键进展是“揭示了更多复杂性，表明这些东西真的看起来像人类的大脑。”
在蒂莫西综合征研究中，斯坦福大学医学院的科学家从三名患者捐赠的人类细胞——成纤维细胞开始。使用现在标准的技术，他们将这些细胞通过生物时间机器，使其恢复到类似胚胎的干细胞状态。通过添加适当的营养物质，研究人员不仅可以刺激这些干细胞生长成脑细胞——这项技术已经存在十多年了——还可以形成小球。
每个小球的直径约为1/16英寸，包含100多万个细胞。它们被称为皮质球体，与脑类器官的不同之处在于，前者模拟大脑的特定区域，例如前部，而不是许多部分。
斯坦福大学的塞尔吉乌·帕斯卡（Sergiu Pasca）博士和他的同事希望这些球体能够揭示蒂莫西综合征的病因。其中一批模拟了大脑深处的一个区域，另一批模拟了皮层，即发生思考的褶皱外层。在胎儿中，来自大脑深处的神经元会迁移并连接到皮层的神经元，形成支持思考、判断、计划和其他高阶功能的功能回路。
在融合了两个皮质球体——皮层和深层之后，帕斯卡和他的同事观察了这些神经元几天，发现来自深层的神经元是糟糕的迁移者。它们断断续续地移动、停止和开始，好像不确定是否或往哪里移动。然而，它们比正常大脑中的神经元迁移得更多，似乎是为了弥补它们的困惑而横冲直撞。
帕斯卡说，这些球体“帮助我们了解患有与蒂莫西综合征相关的不同突变的患者的大脑发育是如何出错的。” （斯坦福大学已为生成特定大脑区域的球体申请了专利。）
帕斯卡说，通常用于治疗高血压的钙通道阻滞剂在迷你大脑中产生了正常的神经元迁移，显然是通过修复使神经元过于跳跃的缺陷。即使进一步的研究表明这些药物可以恢复正常的神经元迁移，一个很大的问题仍然存在：在出生后，当大脑的基本布线图已经确定时，给予这些药物是否为时已晚？
帕斯卡说：“我们不知道。但是，在婴儿期甚至童年时期，可能存在一个稍后纠正大脑回路的机会窗口。”
早期的研究已经产生了具有不同区域（如海马体、运动区域和视觉区域）以及具有电活性的神经元的脑类器官。当从患有小头畸形的患者的干细胞中创造出来时，培养皿中的大脑类似于这种通常致命的疾病；从患有严重自闭症的患者的细胞中创造出来的脑类器官表明，失控的神经元生长是该疾病的根本原因。
但是，周三的第二项研究更进一步。哈佛大学的科学家也从干细胞中培养了他们的脑类器官，培养时间比以往任何时候都长：九个月或更长时间。在旋转的生物反应器中的烧瓶中生长，保持营养充足，这些类器官比以前的迷你大脑发育出更成熟和更多样化的神经元。对单个细胞进行的复杂基因测试显示，神经元的多样性与真实大脑中的相似。
存在数十种类型：产生称为神经胶质的支持细胞的细胞、抑制其他细胞的神经元，以及连接大脑半球的胼胝体神经元。哈佛大学和博德研究所的葆拉·阿洛塔（Paola Arlotta）领导了这项研究，她说：“一个在烧瓶中发育的类器官可以产生如此多种类型的神经元，这令人印象深刻。”类器官发育的时间越长，它拥有的细胞类型就越多。
而且神经元发挥了作用。它们长出微小的突起，称为树突棘，这些突起接收来自电路中其他神经元的信号，并且在至少生长了八个月的七个类器官中，有六个形成了活跃的神经元网络，并产生电活动。阿洛塔说，它们“彼此连接，形成回路，一旦连接，它们就可以同步活动”，从而可能模拟“人脑的高阶功能”。
生物伦理学家才刚刚开始思考这其中的含义。阿洛塔说，诸如脑类器官是否以及何时可能变得有感知能力等问题是“重要的”，“我们需要作为一个社区讨论这些问题。不仅仅是科学家，而是我们所有人。”
明尼苏达大学的奥布莱恩说，最大的培养皿中的迷你大脑只有4毫米大小——大致相当于海兔或水母的大脑——“只是人脑的一小部分。你确实看到了一些神经回路的形成，但没有一个接近有感知能力所需的大小，而且它们不够复杂到能感受到疼痛。”
他补充说，开发更好的人脑模拟物“将需要更多时间，但也许比我们想象的要少”。