实验室培养的迷你大脑，产生了脑电波……
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十月龄如豌豆大小的类器官。图片来源：Muotri Lab
近日，来自美国加州大学圣地亚哥分校的科学家用发育了功能性神经网络的干细胞创造了“迷你大脑”。尽管这些实验室发育的大脑比人脑小一百万倍，但它们是第一个被观察到产生类似早产儿脑电波的大脑。该研究已发表在8月29日的《Cell Stem Cell》上，它可以帮助科学家更好地理解人类大脑的发育。
研究通讯作者、加州大学圣迭戈分校的生物学家Alysson Muotri说：“我们在体外观察到的神经活动水平是前所未有的，这离实际生成复杂神经网络的这些早期阶段的模型又近了一步。”
Alysson Muotri
这些豌豆大小的大脑，称为脑类器官，来源于人类多能干细胞。通过将它们置于模拟大脑发育环境的培养物中，干细胞分化成不同类型的脑细胞，并自组织成类似于发育中人脑的三维结构。
图片来源：《Cell Stem Cell》
科学家们已经成功地培育出类似人脑细胞结构的类器官。然而，之前的模型都没有开发出类似人类的功能神经网络。已知当神经元成熟并相互连接时，网络就会出现，它们对于大多数大脑活动都是不可或缺的。
Muotri说：“你可以用脑类器官来做几件事，包括了解正常的人类神经发育、疾病建模、大脑进化、药物筛选，甚至是为人工智能提供信息。”
脑类器官的横截面，显示皮质板的初步形成。每种颜色标志着不同类型的脑细胞。图片来源：Muotri Lab
Muotri及其同事设计了一种更好的干细胞生长方法，包括优化培养基配方。这些调整使他们的类器官比先前的模型更加成熟。该团队在10个月的时间里培养了数百个类器官，并使用多电极阵列监测它们的神经活动。
多电极阵列产生的图像显示脑类器官的活跃程度，红色表示非常活跃，黑色表示静默。图片来源：Muotri Lab
研究团队在大约两个月的时候开始探测到来自类器官的脑电波。这些信号很稀疏，但具有相同的频率，这是在未成熟人脑中可以观察到的模式。随着类器官继续生长，它们会产生不同频率的脑电波，信号出现的频率也更有规律。这表明类器官进一步发展了它们的神经网络。
Muotri说：“这是拥有更多功能突触的结果，神经元之间形成了更多连接，它们之间的相互作用产生不同频率的信号。”
为了比较早期发育过程中类器官的脑波模式和人脑的脑波模式，该团队训练了一种机器学习算法，记录了39名6到9个半月大早产儿的脑电波。该算法能够预测这些类器官在培养液中发育了多少周，这表明它们与人脑有着相似的生长轨迹。
然而，Muotri说：“这些类器官不太可能具有意识等精神活动，它们仍然是一个非常初级的模型。我们没有人脑的其他部分和结构，所以也可能这些脑电波与真实大脑中的活动没有任何关系。在未来，我们可能会获得一些非常接近人脑中控制行为、思想或记忆的信号。现有的证据还不够充分。”
未来，该团队的目标是进一步改善类器官，并利用它们来了解与神经网络功能障碍相关的疾病，如自闭症、癫痫和精神分裂症。
Muotri说：“作为一名科学家，我希望能够越来越接近人类大脑。因为这样做，我可以帮助患有神经疾病的人，给他们更好的治疗和生活质量。但这要由我们来决定极限在哪里，可能是技术还没有准备好，或是我们不知道如何控制技术。这与围绕CRISPR婴儿的讨论是一样的，这就是为什么我们要有伦理委员会来代表社会的各个方面。”
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