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研究人腦是目前最大的科學(xué)挑戰(zhàn)之一。想要理解人腦內(nèi)部如何運(yùn)作，我們需要研究神經(jīng)元的發(fā)育、連接和相互作用。但這不僅在實(shí)踐上困難重重，還面臨著許多倫理的問題。

人類大腦如此難以探索，給試圖破解一些可能是人類特有的疾病，比如孤獨(dú)癥和精神分裂癥，帶來了難題。一些專家認(rèn)為，相比于其他醫(yī)學(xué)分支，精神病學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展顯得相對緩慢。

近日，一種不涉及從人腦中提取組織的方法，似乎有望成為解決這些問題的途徑。科學(xué)家將人類腦細(xì)胞移植到了年幼大鼠的大腦中，這些細(xì)胞在那里生長并形成連接。研究已發(fā)表在《自然》上。

  創(chuàng)造類器官  

大約15年前，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，人類干細(xì)胞可以自我組織，并生長成一些小球，它們包含了不同類型的細(xì)胞，和腦組織很像。這類被稱為類器官（organoid）的微小結(jié)構(gòu)，為了解腦細(xì)胞的活動(dòng)打開了一扇窗口。這項(xiàng)新研究就是建立在該團(tuán)隊(duì)先前創(chuàng)造大腦類器官的研究基礎(chǔ)之上的。

為了制造大腦類器官，科學(xué)家將人類皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞，然后誘導(dǎo)它們成為幾種類型的腦細(xì)胞。這些細(xì)胞隨后增殖，形成類似大腦皮質(zhì)的類器官。大腦皮質(zhì)是人類大腦的最外層，它在記憶、思考、學(xué)習(xí)、推理和情感等方面都起著關(guān)鍵作用。

接著，研究人員將這些類器官移植到僅有2至3天大的幼鼠體內(nèi)，在這個(gè)階段的幼鼠大腦內(nèi)，連接仍在形成。被植入的類器官會(huì)不斷成長，最終占據(jù)大鼠腦半球的約三分之一。類器官的神經(jīng)元與大腦中的回路形成了工作連接。

在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿中的類器官內(nèi)生長的人類神經(jīng)元（左上），它的大小和復(fù)雜性只有移植到大鼠腦的類器官（右）的一小部分。（圖／ Pa?ca Lab, Stanford University）

通過這些實(shí)驗(yàn)操作，研究人員發(fā)現(xiàn)人類細(xì)胞被整合進(jìn)入了回路中，換句話說，它們并沒有改變幼鼠的大腦回路，而是成了其回路的一部分。

他們發(fā)現(xiàn)植入的細(xì)胞在新環(huán)境中并不會(huì)完全模擬人類的腦組織，比如它們并沒有形成人類大腦皮質(zhì)中那種多層結(jié)構(gòu)。不過也沒有像周圍的大鼠神經(jīng)元那樣，形成大鼠軀體感覺皮質(zhì)特有的桶狀柱。但是，單個(gè)植入的神經(jīng)元的確保留了許多正常人類的電和結(jié)構(gòu)特征。

實(shí)驗(yàn)室中大鼠腦的橫截圖展示了移植到它體內(nèi)的人腦類器官（左）的廣泛生長。新的研究表明，人類組織不僅可以生長，而且會(huì)與大鼠腦的神經(jīng)元形成工作連接。（圖／ Pa?ca Lab, Stanford University）

其實(shí)，人類神經(jīng)元先前也曾被移植到嚙齒動(dòng)物身上，但一般都是成年動(dòng)物，通常是小鼠。這項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)是第一次將這些類器官植入早期大鼠大腦，創(chuàng)造了有史以來最先進(jìn)的由人類皮膚細(xì)胞構(gòu)建的人類大腦回路系統(tǒng)，并證明了植入的人類神經(jīng)元可以影響動(dòng)物的行為。

  實(shí)際應(yīng)用  

為了研究這種方法的實(shí)際應(yīng)用，科學(xué)家將類器官移植到大鼠大腦的兩側(cè)：一側(cè)由健康人類的細(xì)胞生成，另一側(cè)則由蒂莫西綜合征患者的細(xì)胞生成，這種疾病是一種與心臟問題和孤獨(dú)癥譜系障礙有關(guān)的罕見遺傳疾病。

過了大約5到6個(gè)月后，他們看到了與神經(jīng)元活動(dòng)相關(guān)的疾病影響。兩側(cè)的電活動(dòng)出現(xiàn)了差異，蒂莫西綜合征患者的神經(jīng)元要小得多，并且沒有長出那么多的延伸部分來接收附近神經(jīng)元的輸入。

研究人員表示，如果他們用孤獨(dú)癥或精神分裂癥等疾病患者的細(xì)胞所生長的類器官進(jìn)行同樣的實(shí)驗(yàn)，就有可能了解到這些疾病如何影響大腦的新情況。

  倫理關(guān)注  

但與此同時(shí)，這種在動(dòng)物身上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也引發(fā)了倫理關(guān)注。

研究人員表示，他們的團(tuán)隊(duì)其實(shí)關(guān)注到了大鼠的福祉，以及當(dāng)類器官在它們體內(nèi)生長的同時(shí)，它們是否仍然表現(xiàn)正常。

盡管如此，團(tuán)隊(duì)仍然認(rèn)為，這類實(shí)驗(yàn)不應(yīng)該在靈長類動(dòng)物身上嘗試。倫理學(xué)家還想知道，腦中的類器官在未來是否可能出現(xiàn)類似人類的意識(shí)。但專家表示，目前這種可能性極低。

腦類器官還可以用來測試神經(jīng)精神障礙的新療法。還有一些科學(xué)家正在研究動(dòng)物體外的人腦類器官。

比如，有研究介紹了他們?nèi)绾卧趯?shí)驗(yàn)室中，利用干細(xì)胞培育出類似大腦的組織，然后繪制出不同腦區(qū)的細(xì)胞類型和調(diào)控發(fā)育的基因。一些人正在使用這些結(jié)構(gòu)來研究孤獨(dú)癥。