本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
奥巴马政府的神经科学计划强调了新技术，以更好地了解大脑回路在小尺度和大尺度上的工作原理。从蛔虫到小鼠的各种生物都将是该计划的核心，因为人脑过于复杂，而且伦理问题过于复杂，无法以任何有意义的方式开始分析实际的人体器官。
但是，如果已经有办法弄清楚大脑是如何自我连接的，并且反过来，利用这些知识来研究早期生活中各种神经系统疾病的情况呢？科学期刊上的报道已经开始逐渐出现，关于干细胞如何自发地组织成复杂的大脑组织——一些研究人员称之为迷你大脑。克里斯托弗·A·沃尔什（Christopher A. Walsh），哈佛医学院儿科和神经病学布拉德教授，与《大众科学》谈到了这项工作对于理解大脑发育和神经系统疾病的重要性。（另请查看《科学》上沃尔什和裴炳日（Byoung-il Bae）撰写的关于此主题的观点。）
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您能告诉我，为了更好地了解大脑是如何发育的，还缺少哪些工具吗？
为了能够理解大脑如何解决如此复杂的自我布线问题，我们需要能够在实验室中严格地研究它。我们需要某种模型。我们不能直接把人放在显微镜下观察，所以我们必须找到一种模拟大脑的方法。
小鼠对于理解大脑布线和大脑中细胞的形成非常有用。小鼠将继续非常有用。小鼠在研究特定基因的细胞效应方面特别有用，但是，随着我们对问题的理解越来越深入，我们越来越能够思考，不是我们与小鼠的共同之处，而是将我们与小鼠区分开来的差异。
这些人类特有的特征是我们越来越迫切想要尝试理解的，而这正是干细胞模型开始产生越来越大影响的地方，因为它们确实是人类细胞，我们能够以以前无法想象的方式操纵它们，让它们在培养皿中制造出具有一些非常原始的人类特征的大脑前体。
您能更具体地谈谈这些进展吗？
几年来，我们已经能够在培养物中培养人类胚胎干细胞。干细胞是非常强大的细胞，因为它们可以形成多种细胞类型，并使我们能够在培养物中研究复杂的细胞类型。然而，在过去几年中发生的事情是，日本和奥地利的团队已经开发出使干细胞在培养物中形成复杂形状的方法，这些形状开始看起来像身体的一部分。[吉树] 笹井（Sasai）的小组在日本已经能够在培养物中制造胚胎干细胞，并将它们转化为看起来像眼睛的东西。最近，奥地利的尤尔根·克诺布利希（Juergen Knoblich）实验室已经使干细胞自行组织成非常像一个非常小、非常早期的人类大脑皮层的东西，有些人称之为类器官或迷你大脑。
我们知道，许多发育的关键在于在干细胞发育的结构形状和复杂环境中发生的过程。因此，现在我们看到这些干细胞可以再现的不仅是一种细胞类型，而实际上是一种结构和一个环境，其中细胞以复杂的方式相互作用，并且从一个细胞传递到另一个细胞的信号可以影响发育。在实验室中研究这些复杂的结构使我们能够更好地了解早期发育过程中人脑中发生的情况。
随着技术进步，您可能会解决哪些问题？
我们可以使用这些新工具解决的一个重要问题是人类疾病的机制。其中一些在小鼠中得到了很好的建模，因此我们可以在小鼠中创建一个突变，并了解一种疾病如何在人脑中起作用的机制。但是，其他基因看起来在人类和小鼠之间做的事情非常不同，因此我们只能通过在小鼠中研究它们来初步了解它们在人类中所做的事情。因此，人类干细胞提供了额外的见解，可以将这些见解与小鼠的工作以及对人类细胞的直接研究结合起来。
如何使这些系统变得更好？
干细胞可以形成像视网膜和大脑这样的胚胎形状，这真是太令人震惊了。这有点像狗用后腿跳舞，你会惊讶于它竟然能做到这一切。但是，为了使这些迷你大脑成为一种真正严格有用的科学工具，我们将必须找到方法来重复且可靠地一次又一次地培养这些结构，这样我们就可以研究当这个过程被打乱时会发生什么。
到目前为止，我们只能偶尔做到这一点。而这总是科学的第一步。但我确信技术改进指日可待。
还有其他正在开发的技术吗？
人们有兴趣看看是否可以通过将人类细胞放入小鼠大脑中并让它们在那里发育来更多地了解大脑。这使得一小部分人类细胞可以在一个较大的小鼠大脑中在相对正常的条件下发育，在那里我们可以看到它们如何连接成结构。
但是，另一种方法实际上是让人的干细胞类器官发育到它们实际上具有牢固的连接，我们可以使用允许我们观察这些神经元的电活动的技術进行研究。这是我们尚未做过的事情，但我们现在可以考虑做，在试管中构建复杂的结构。
类器官论文显示了其中的电活动记录，但他们没有对详细的电活动进行精确的定向研究。从目前所展示的内容来看，你可以看到这很有可能实现。
这令人兴奋吗？
这真是太棒了。像智力障碍和自闭症这样的疾病是神经元之间电活动的疾病。但是我们认为我们大脑的连接方式与小鼠大脑的连接方式有很大不同。因此，很高兴看到自闭症基因在真正的人类细胞中所起的作用。像自闭症、智力障碍和精神分裂症这样的认知障碍是重要的领域，因为人类的认知与小鼠的认知有很大不同。
还有哪些研究可以使用这些模型？
这些技术对于理解调节人脑发育的基因的功能很有用，但是由于它们在进化压力下，其作用方式与小鼠不同。来自克诺布利希的迷你大脑论文的一个例子是CDK5RAP2，它调节大脑中的细胞分裂，因此它调节大脑的大小。当在人类中发生突变时，它会导致小头畸形并调节人类神经干细胞的行为。
图片来源：马德琳·A·兰开斯特（Madeline A. Lancaster）