泡在培養皿中的人造大腦,居然向外界發出了胎兒般的腦電波

2020.01.03 by
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泡在培養皿中的人造大腦,居然向外界發出了胎兒般的腦電波
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培養皿培植的類器官大腦,竟發出與9個月大的嬰兒一樣活動水平的腦電波,外界紛紛關注是否能用來研究精神分裂及移植人體上,「科學怪人」可能不再只是小說情節。

研究人員M瞪大由於經常熬夜充滿著血絲的雙眼,驚喜又惶恐地看著實驗室培養皿中僅有豌豆大小的腦細胞團在不斷地發出電脈衝。

發生這種情況只有兩種可能,一是電極故障了,二是這團腦細胞正在向外界發出腦電波。

M不斷地告訴自己要冷靜,但把設備都檢查一遍後,他再也冷靜不下來了,因為設備沒有壞,這團不成型的「大腦」確實在對外發出腦電波。

M癱坐在地上,因為他不知道,這次的發現對於人類來說究竟是好事還是壞事……

上面這一段,並非科幻小說裡面的橋段。裡面的研究員M是加利福尼亞大學聖地亞哥分校的莫特瑞(Alysson Muotri),他的這一段經歷,也已經記錄在了他的論文當中,發表在《細胞幹細胞》雜誌上。

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培養一個迷你大腦,只需要三步

怎麼樣培養一個大腦?只需要三步。

第一步將大腦種到土裡,第二步澆水灌溉,第三步等待新的大腦長出來。

你可能以為我在開玩笑,但事實確實如此。

回顧一下國中生物課本,我們人體內有一種細胞叫做幹細胞。這種細胞是一種具有強複製能力的多潛能細胞,在一定條件下可以分化成不同類型的細胞。

幹細胞分化模式
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那麼要培養一個細胞出來,其實就跟上面那三個步驟差不多了。幹細胞就相當於「種子」,然後適當的化學物質和生長因子的混合物就相當於「土壤」。只要將幹細胞放入具有上述混合物的培養皿當中加以培養,幹細胞就會進行自我複製,並且分化成腦細胞。

隨後,這些人工培養的細胞就會自行發育成腦組織,並且呈現出部分大腦神經元的特質,甚至還能形成腦溝和腦迴路的形態。

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上面提到的在培養皿中培育出來的迷你大腦,就是由幹細胞分化而成的腦細胞所組成的,而透過這種方法培育出來的器官,也被稱為類器官。

曾經為了研究大腦,甚至有人不惜屠殺兒童

為什麼現在有這麼多研究團隊培養微型大腦?

作為人類最重要的器官之一,人類對於大腦的認識其實還相當匱乏。大腦也因此成為了科學家極為渴望研究的器官之一。

在詹姆斯.惠爾(James Whale)於1931年拍攝的《科學怪人》當中,主角法蘭克斯坦透過殘肢拼湊出了一副人造肉體。法蘭克斯坦為了不浪費這副人造肉體的機能,取下了一個殺人犯的大腦,移植到了人造肉體上,最終這副肉體成為了一個殺人狂。

《科學怪人》1931
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電影恐怖,但現實當中人類對於研究大腦的痴迷,甚至比電影、哥特小說還要恐怖。

20世紀70年代,位於維也納的奧托華格納醫院地下室裡被發現擺滿了幾十個大大小小不同的罐子,這些罐子裡裝的東西,是兒童的大腦。

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在納粹時期,納粹醫生海因里希.格羅斯在醫院開設了一個「特殊兒童病房」並且關押了一批智力缺陷的兒童。沒過多久,這批兒童就遭到了集體屠殺,大腦也被取了出來,供海因里希.格羅斯解剖研究使用。

當然,這些如此變態的手法只是極少數,而且這些年隨著捐獻器官越來越被大眾所接受,用於研究用途的捐獻大腦已經越來越充足了。

不僅如此,現在還有一個新的方法,來讓科學家獲得研究用大腦,那就是上面所說到的人工培育微型大腦。

這些微型大腦可以幫助研究人員更好地進行病理學、解剖學和藥物學方面的研究,甚至比起從遺體捐獻中獲得的大腦還有一個優點。

由於早期發育的大腦很難獲取,所以在這方面的研究,一直缺乏實驗材料,而如今微型大腦的培育,恰好可以補充這方面的空白。

對於培育微型大腦,杜克大學教授,新興神經技術的生物倫理學專家法拉漢尼(Nita Farahany)表示

很高興看到人類正在開發出更好的大腦替代品。

人造大腦,向外界發出了信號

在普及完什麼是微型大腦,以及它有什麼用之後,我們回到文章開頭的場景。

莫特瑞在第一次檢測到了微型大腦發出的腦電波後,便對它進行了持續的監察。

前期微型大腦發出的腦電波還是斷斷續續的,但到了4到6個月之後,腦電波的活躍度達到了「前所未有」的水平。

微型大腦的真正長相
UCSD

莫特瑞表示,這些腦電波表明,微型大腦中已經建立起了幾十億個連接。

隨後更讓人興奮的是,這些泡在培養皿裡的微型大腦,居然發生了和新生兒大腦活動水平相當的腦電波。

為了研究這些微型大腦的腦電波和人類大腦的有什麼關聯,研究小組收集了一批24~38週早產兒的腦電圖數據,並且透過這些數據訓練出了一個機器學習演算法。

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該機器學習演算法,可以透過腦電圖去判斷受試者的年齡。

然後,莫特瑞將微型大腦收集而來的腦電波數據輸入到了演算法當中,演算法結果是,居然與9個月產兒的大腦活動水平相同。

是福,還是禍?

這次的發現,無論是對大腦研究還是類器官研究來說,都相當重要。

首先,它改變了人們的認知。人們認為,只有完整的大腦才能真正形成這些複雜的網絡,如今事實告訴我們並非如此。

其次,透過研究微型大腦發出的腦電波,研究人員可以更好地研究精神類疾病。

大腦發育研究所的分子遺傳學家、神經科學家厄文(Jennifer Erwin)就對這次的發現給予了極大的肯定,她表示,利用這一發現,研究人員可以從另外一個角度重新開始研究精神分裂症。

被分切成了240片的愛因斯坦大腦
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一些神經系統和精神疾病,患者的大腦結構是會出現變異的。但是有另外一些精神類疾病,例如精神分裂症、躁鬱症和自閉症等,大腦結構是沒有損傷的,腦電波才是真正失調的地方。

而利用這次的發現,研究人員終於能夠更好地對這類型疾病進行分析。

但這次的研究,也催生出了不少人對於類器官培植新的擔憂。

在上文中登場過的杜克大學教授法拉漢尼在誇完了這次的發現後,轉個頭就表示了自己的擔憂:

我們有必要擔憂,這些類器官是否有可能發展出任何類似人類感覺的能力。

他認為,在確定了培養皿中的微型大腦並非簡單的「一坨」組織之後,就有必要考慮,這些人造大腦是否會獲得人類的意識。假如這種意識存在,那麼關於類器官的研究可能就需要改變一下規範了。

最直觀的,就是是否允許科學家將這些類器官移植到人類或者動物體內?畢竟現在已經有相對簡單的類器官被移植到了小白鼠身上。而且,相信大家也不會希望「科學怪人」真的會在現實中出現。

法拉漢尼認為在未來,科學家可能會找到一種方法,來使類器官在實驗室中保持全盛嬰兒期的狀態。

莫特瑞則表達出了反對意見,目前研究的微型大腦的中只有18種細胞類型,而人類電腦中卻有超過100,000種,距離真正的大腦還相距甚遠,現在就對大腦類器官研究施加限制為時過早了。

責任編輯:江可萱、蕭閔云

本文授權轉在自:愛范兒

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