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实验室培育“类脑器官”首次监测到脑电波

陈皮网
2019-09-24 11:00:11 阅读数:197

编者按:从整个生物学领域来看,几乎没有什么比人脑发育这一研究课题更难的了。过去,研究人员只能从包括老鼠和猴子在内的动物大脑研究中得出一些关于人类大脑的间接线索,但是现在,“类脑器官”在世界各地的实验室里培育、成长,为科学家探究人类大脑最早阶段的发育以及各种脑部疾病打开了一扇新的窗户。原文选自《纽约时报》,作者Carl Zimmer,原文标题“Organoids Are Not Brains. How Are They Making Brain Waves?

在Alysson Muotri头部上方二百五十英里的位置,有一千个小小的脑细胞球体正在太空中航行。

这些被称为“类脑器官”的脑细胞球体是几个星期前在加利福尼亚大学圣迭戈分校的生物学实验室里培育而成。生物学家Alysson Muotri和他的同事一起将人体皮肤细胞改造成干细胞,然后诱导它们进一步发育,就如同脑细胞在胚胎中进行的发育一样。这些类脑器官发育成大约针头大小的球状物,每一个球状物都包含数十万种不同类型的细胞,每种类型的细胞都会产生与我们人类大脑细胞相同的化学物质和电流信号。

今年7月份,美国宇航局将这些类脑器官球状物装载到了一艘火箭之上,并将它们送到了国际空间站,这样他们就可以进一步观察这些类脑器官在零重力环境下会完成怎样的发育。现在,这些类脑器官被装在一个金属盒子之中,通过袋装营养液的形式来为它们输送发育所需营养物质。

Muotri最近在他的办公室中接受了媒体的采访,他说道:“我认为这个阶段这些类脑器官细胞体会进行疯狂的复制,所以我们接下来会看到更大的类脑器官球体。”这些类脑器官球体最终会实现怎样的发育成果?这是一个无论是科学家还是哲学家都无法回答的问题。

就在刚刚过去的八月底,Muotri和他的同事们报告,他们在这些类脑器官中监测到了简单的脑电波。在成熟的人类大脑中,这样的脑电波是由广泛分布的神经元网络同步发射形成。特定的电波模式与特定形式的大脑活动相关,例如记忆检索和做梦等。除此之外,研究人员还发现随着类脑器官的成熟,它们发出的电波也在不断变化,这种变化的趋势类似于早产儿大脑的发育变化。

南加利福尼亚大学神经生物学家Giorgia Quadrato没有参与到这项新研究中来,但他也表示:“这真的太神奇了,在这之前没人会相信存在这样一种可能。”但与此同时她也强调不要对此做出过多地解读,不要强行附加过多的意义。她和Muotri以及其他脑器官专家所培育的是类脑细胞的集合体,而不是真正的大脑。她继续说道:“人们可能会说,‘啊,这就像是早产儿的大脑一样。’不,它们真的不是。”

现在距科学家用人类皮肤细胞培育出首个类脑器官仅仅过去了六年的时间。现在,类脑器官在世界各地的实验室里培育、成长,为科学家探究人类大脑最早阶段的发育打开了一扇新的窗户。

加利福尼亚大学圣迭戈分校的研究人员正在尝试利用类脑器官从微型程度上再现遗传性脑部疾病和脑部感染这两种病症。除此之外,他们还尝试培育更大、更复杂的类脑器官。在最近的一项实验中,科学家将一个类脑器官与一个蜘蛛形状的机器人联结到了一起,这样两者之间就可以进行信号的交换。

八月底的这项最新研究成果发表在了《Cell Stem Cell》期刊杂志之上,在这之后,关于“类脑器官最后可能变成什么”这一问题的讨论也愈发激烈起来。Muotri说道:“我的一些同事认为这些类脑器官永远不会呈现出意识形态,但现在我并不能做出那样的断定。”

西雅图艾伦脑科学研究所(Allen Brain Institute)首席科学家兼总裁Christof Koch认为,即便有一天科学家们能够培育出具有微弱自我意识和认知的类脑器官,这其中还存在一个严肃的伦理问题。Koch说道:“我们越接近这一目标,就越有可能会得到一个具有感知能力、能够感受到痛苦、愤怒和绝望的大脑。”

实验室培育“类脑器官”首次监测到脑电波

“我们遭遇了惨败。”

从整个生物学领域来看,几乎没有什么比人脑发育这一研究课题更难的了。只要能从包括老鼠和猴子在内的动物大脑研究中得出一些关于人类大脑的间接线索,生物科学家们基本上就算满足了。但是,人类大脑是如此独特,以至于很难从其他物种的研究中获得突破性的借鉴成果。也正是因为如此,研究人员在治疗包括自闭症或精神分裂症在内的脑部疾病方面的表现令人失望。Muotri说道:“(在治疗人类脑部疾病方面)我们直接遭遇了惨败,我们可以治疗一些动物的脑部疾病,但这种治疗方式无法转移给人类大脑。”

2006年,日本京都大学的生物学家Shinya Yamanaka开辟了人类大脑研究的新方法。他发现了一种包含四种转录因子蛋白质的混合物,这一混合物可以将普通的皮肤细胞转变为干细胞,并且这些干细胞可以发育成为神经元、肌肉或血细胞。其他研究人员在此基础之上,研究出了新的方法,可以让这些干细胞在器皿之中像微型器官一样发育、成长。2013年,奥地利的一个研究小组首次成功培育出小型、可以短期存活的类脑器官。

在此之前,Muotri一直在研究自闭症患者的神经元。听到这一消息之后,他很快就自己学会了将干细胞转化为类脑器官。他表示:“最令人感到惊奇的一点是这些类脑器官其实可以自己发育。”只要提供恰当的条件,类脑器官就开始了自己的发育、成长过程。现在,在Muotri的实验室里有数千个类脑器官,项目科学家Cleber Trujillo负责监测它们的发育、成长状况。他表示,每天他至少有半天的时间都用在这上面。

培育类脑器官需要付出大量的工作,因为这整个过程不像是进行一场化学实验,而更像是做蛋奶酥。研究人员必须不断更换为细胞生长提供养料的营养液,并且密切关注细胞本身的变化。Trujillo说道:“我们需要对它们进行适当的引导,否则,它们就会变成别的东西。”

如果一切都成功地按照计划进行,那这些细胞会最终变成类脑器官。这些细胞先成斑,其间形成管道,祖细胞围绕管道分布,并长出细胞索,然后其他细胞沿着这些细胞索继续蔓延,形成连续的环。从许多方面来看,它们的形态很像我们人体皮质中的细胞。

Trujillo拿出一个半透明的松饼托盘,将它举过头顶。头部上方的灯瞬间照亮了托盘里那数百个小小的球状物。只需要两个月的时间,每个类脑器官内的细胞就能通过一种粘性分支网络聚集成一个球状物。“他们喜欢彼此保持联结的状态”,Trujillo深情地说道。

Muotri和他的同事利用这些类脑器官,针对一系列疾病展开了实验。例如,他们让这些类脑器官感染寨卡病毒,通过这种方式去了解这一病毒具体是怎样导致婴儿产生严重的脑损失。去年,他们发现一款名为索非布韦(又译为索氟布韦,英文名Sofosbuvir,已被批准上市用于治疗肝炎)的药物可以用于保护脑组织免受寨卡病毒的感染。瑞士洛桑大学的David Baud教授是寨卡病毒研究领域的专家,他表示这是一项很有前景的研究,这样的研究要是以老鼠或者是个体神经元为对象会很难进行,“类脑器官为我们提供了一个最好的选择”。

Fabio Papes是巴西坎皮纳斯大学(University of Campinas)的一名神经系统科学家,他对此也是同样的感受,因为他也在利用类脑器官研究遗传性脑部疾病。目前,Papes正在与Muotri合作一起研究一种名为Pitt-Hopkins综合征(一种以智力残疾为特征的神经发育障碍)的疾病。这是一种罕见的疾病,患有此病的儿童不会说话,并且会经常性的癫痫发作。Papes用患者捐赠的皮肤细胞来培育类脑器官,以探究某些突变具体是怎样导致这一疾病的形成这一问题。

“就这种特殊的疾病来看,用老鼠做实验根本就没用,”Papes说道,“显然,你也不能打开那些患者的脑袋看看里面到底出了什么问题。要不是类脑器官为我们开辟了这样一条全新的道路,这类疾病的探索之路根本就走不通。”

实验室培育“类脑器官”首次监测到脑电波

临界质量

2016年,Priscilla Negraes还是Muotri实验室的一名项目科学家,当时她就已经开始了“监听”类脑器官这一研究课题。她在一个容器内装配了64个电极,然后想办法将这些类脑器官粘在容器底部。这样一来当类脑器官内的神经元发射电波时,其中一个电极就会亮起。事实证明,这些类脑器官异常地“嘈杂”,并且每过一个周,它们的嘈杂程度就会增加一些。慢慢地,她注意到这其中有一些固定模式存在。大多数神经元会以同步爆发的方式发射电波,这看起来非常像脑电波的发射模式。

Negraes和她的同事开始找到脑电波专家进行合作,他们发现这些类脑器官与早产儿大脑之间存在一些相似之处。他们的神经元都会进行同步脑电波的发射,然后回归平和与安静。并且,这些研究人员发现,随着类脑器官的不断成长,爆发与安静之间的间歇变得越来越短,这也是早产儿大脑发育成熟的一个重要特征。

这一研究论文的作者之一Richard Gao是加利福尼亚大学圣迭戈分校的一名研究生,他表示,两者之间存在的这种相似性让人感觉不同寻常,因为类脑器官和婴儿大脑这两者是如此的不同。他说道:“我认为并不是只有大脑全部的数十亿个神经元共同作用才能生成这种模式,只要过了一个临界量就可以。”

研究人员希望能够让这些类脑器官发育的更大、更复杂并且生命力更持久一些,这样他们就能从中提取更多的信息,而免疫细胞可能会让这一切变成可能。被称为小神经胶质细胞的这种免疫细胞不仅仅是用来对抗病原体,在大脑发育过程中,它们也作用于神经元分支的塑造,帮助这些分支发育成熟。Muotri实验室的研究人员已经成功诱导小神经胶质细胞在类脑器官中生存和发育。现在,科学家们正在对这些类脑器官进行具体追踪。

参与该项目的研究生Gabriela Goldberg说道:“有了小胶质神经细胞的存在之后,我想这些类脑器官会呈现出更好的发育结果。”

现在,Muotri和他的同事们正在尝试不同的方法去刺激类脑器官,让它们发育出更复杂的神经网络,其中就包括类脑器官与蜘蛛形状机器人的结合。在这个实验中,计算机负责将类脑器官的电流活动转化为指示机器人腿部移动的指令。当机器人移动到靠近墙壁位置时,它的传感器会检测到这一变化,然后计算机再将这些信号以电脉冲的形式传给类脑器官。

Muotri表示目前还不确定这些刺激是否会影响类脑器官的发育。这些尝试可能会失败,也可能会得出一个越来越复杂的类大脑产物。Muotri建议参与这项研究的科学家们都仔细思考一下该如何去看待或者面对自己可能“无意”中创造出来的“成果”。他说道:“如果你添加的神经元感知到了疼痛怎么办?或者,如果我们在这些类脑器官中监测到了记忆又该怎么办?”

但哈佛大学生物伦理学家Jeantine Lunshof认为,目前去想这些问题(对类脑器官该做什么,不该做什么的问题)还为时过早。她表示:“要想确定应该做什么,不应该做什么,你首先要知道‘这是什么’。现在我们所做的是十年前根本就不存在的东西,这是一个全新的领域,根本就不在当下哲学家和伦理学家的了解范畴之内。”Lunshof指出在当下这个研究阶段,最重要的一点是不要将类脑器官看作是真正的人类大脑,“这些类脑器官与人类大脑从属于两个完全不同的类别范畴。”

这一说法对于从事类脑器官研究的科学家来说非常重要,这样一来,他们就可以放心地培育更多的类脑器官来进行实验。Muotri和Trujillo希望能够实现类脑器官培育过程的自动化,这样其他科学家也就可以培育出大量低成本、高质量的类脑器官。Muotri表示:“即插即用这一概念我们也想用于类脑器官身上。”

将类脑器官发送到太空中所进行的实验有可能让这一概念变成现实。承载那些类脑器官的盒子就是一个自动化装置的原型,空间站的宇航员只需要安装好箱子,打开电源,这一箱子就能实现独立运行。未来这一装置可能在不需要人为干预的情况下就可以产出类脑器官。

装载类脑器官的盒子里配置有相机,每半小时会进行一次拍摄。Muotri会经常查看这些类脑器官的发育情况,但最近他发现所有的照片都不清楚,似乎是被一些气泡给模糊了。过了一段时间之后,他发现最新拍摄的图片又恢复了原来的清晰度,气泡消失不见了。从他的电脑显示器上,他可以清晰的看到漂浮在米色背景下的六个灰色球体。

他指着显示器说道:“它们都是球体,大小基本相同。你看它们彼此之间并没有融合到一起或者是聚到一起,这是好事。”

如果这一尝试能够让类脑器官的大规模生产成为现实,Muotri手工培育类脑器官的技能将不再是优势,但他对此毫不介意。

“我认为我们可以用我们的大脑来做一些更有难度的事情,”他这样说道。

译者:aiko

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