一群自由漂浮的微型大腦克隆體正朝你走來。
不，這并不是一部經(jīng)典科幻大片的前提。相反，哈佛大學(xué)的一個(gè)研究小組已經(jīng)找到了一種“克隆”類腦器的方法。從這個(gè)意義上說，每個(gè)腦團(tuán)，不管它來自哪種類型的干細(xì)胞，都幾乎發(fā)育成類似于胎兒大腦皮層的組織。不，他們并不是復(fù)制粘貼一個(gè)小大腦來制作更多的——相反，研究小組發(fā)現(xiàn)了一種方法，可以可靠地制作數(shù)百個(gè)三維大腦模型，而它們的細(xì)胞成分幾乎沒有變化。
如果這聽起來像一個(gè)大大的“meh”，就這樣想。微型大腦就像它們模仿的器官一樣，是精致的雪花，每個(gè)雪花都有自己獨(dú)特的細(xì)胞構(gòu)成。當(dāng)然，沒有兩個(gè)人類的大腦是完全相同的，即使是雙胞胎的大腦也是如此。然而，我們的noggins在最初的發(fā)育過程中確實(shí)遵循了一個(gè)相對固定的路徑，最終得到了可預(yù)測的結(jié)構(gòu)、細(xì)胞類型和連接。
但對于小腦袋就不一樣了?！暗侥壳盀橹?，每一種細(xì)胞都以一種一開始無法預(yù)測的方式，形成了自己獨(dú)特的細(xì)胞類型組合，”研究作者Paola Arlotta博士解釋道。
通過從多個(gè)微型大腦中編譯細(xì)胞圖譜，她的團(tuán)隊(duì)基本上找到了一個(gè)藍(lán)圖，引導(dǎo)來自不同基因和性別起源的干細(xì)胞發(fā)育成非常相似的結(jié)構(gòu)，至少在細(xì)胞組成方面是如此。換句話說，他們養(yǎng)了一群一模一樣的兄弟姐妹；但它們不是人，而是自由漂浮的大腦團(tuán)塊。
請放心，這不是一個(gè)新的邪惡科學(xué)家控制大腦的計(jì)劃。要想讓類腦器在神經(jīng)科學(xué)中發(fā)揮作用——例如，了解自閉癥或精神分裂癥是如何出現(xiàn)的——科學(xué)家們需要大量近乎相同的測試對象。這就是為什么雙胞胎在研究中極具價(jià)值：其他條件(幾乎)相同，它們有助于隔離個(gè)體治療或環(huán)境變化的影響。
阿洛塔說：“現(xiàn)在有可能將‘對照’類有機(jī)物與我們已知與疾病有關(guān)的突變體進(jìn)行比較?！薄斑@將讓我們更加確定哪些差異是有意義的?！?/span>
如何培養(yǎng)大腦
作者提出了一個(gè)稍微不同的問題：是否有可能在子宮外可靠地長出一個(gè)大腦？
你可能會(huì)問“為什么不呢？”畢竟，科學(xué)家們研究類腦器已經(jīng)有五年了。但是，盡管具體的指令通常是相似的，但最終得到的微型大腦卻并非如此。
這是經(jīng)典的食譜?？茖W(xué)家們從收獲的干細(xì)胞開始，將它們植入凝膠狀的支架中，然后小心翼翼地將它們放入特制的化學(xué)湯中，以推動(dòng)細(xì)胞分裂、遷移和成熟成小球。然后這些組織塊被轉(zhuǎn)移到一個(gè)緩慢旋轉(zhuǎn)的生物反應(yīng)器中——想象一下一個(gè)巨大的高科技奶昔機(jī)。輕柔地旋轉(zhuǎn)使液體保持良好的氧合狀態(tài)。六個(gè)月后，這些灰白色的組織顆粒會(huì)膨脹到幾毫米，或者是你手指寬度的十分之一，里面充滿了相互連接的腦細(xì)胞。
這是一種“把所有的原料都放進(jìn)鍋里，看看會(huì)發(fā)生什么”的方法，在學(xué)術(shù)上更被稱為“非指導(dǎo)方法”。由于科學(xué)家不會(huì)干擾腦球的生長，該協(xié)議給予干細(xì)胞最大的自由進(jìn)行自組織。它還允許干細(xì)胞隨機(jī)選擇腦細(xì)胞的類型——神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞、免疫細(xì)胞——它們最終會(huì)變成什么。上帝可能不會(huì)擲骰子，但子宮外的干細(xì)胞肯定會(huì)。
這是有問題的。根據(jù)最初的干細(xì)胞群、培養(yǎng)條件，甚至是特定的批次，最終產(chǎn)生的微型大腦中，細(xì)胞類型的比例以獨(dú)特的方式排列，是高度不可預(yù)測的。這使得用小型大腦進(jìn)行受控實(shí)驗(yàn)變得極其困難，這就否定了它們存在的全部理由。
與人類大腦類似，沒有導(dǎo)航的微型大腦也會(huì)遵循DNA中的指令。給什么？
我們的大腦并不是孤立生長的。相反，它們是由子宮中無數(shù)的局部化學(xué)信使、激素和機(jī)械力引導(dǎo)的——所有這些在旋轉(zhuǎn)的生物反應(yīng)器中都是缺乏的。最近的一種方法是引導(dǎo)性方法：科學(xué)家在干細(xì)胞開始選擇自己的命運(yùn)的早期階段，添加了大量的“外部模式因素”。這些因素基本上都是生物上的“仙塵”，它們將微型大腦結(jié)構(gòu)推入一種特定的“模式”，本質(zhì)上決定了它們的命運(yùn)。
以這種方式生長的腦類器官，一旦成熟，通常在細(xì)胞結(jié)構(gòu)上更加一致。例如，許多人持續(xù)發(fā)展大腦皮層的多條紋模式特征——大腦最外層涉及感覺、推理和其他高級(jí)認(rèn)知功能。但是它們的細(xì)胞組成是否也相似呢？
研究小組首先用這兩種方法培養(yǎng)了幾十個(gè)微型大腦，為期半年。他們從來自男性和女性捐贈(zèng)者的多種類型的干細(xì)胞開始：誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，這是一種返回到青春階段的皮膚細(xì)胞，不朽的人類胚胎干細(xì)胞，以及其他。
然后，他們仔細(xì)分析了在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生的類腦的基因組成，以跟蹤它們的生長。研究小組使用了一種非常強(qiáng)大且越來越流行的工具——單細(xì)胞RNA測序，它為了解每個(gè)單細(xì)胞的基因表達(dá)提供了寶貴的視角。
他們總共分析了21個(gè)類器官中超過10萬個(gè)細(xì)胞的基因指紋，并將這些數(shù)據(jù)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，以找出這些細(xì)胞的身份。最后，研究小組繪制出每一種細(xì)胞類型在每一種分析器官中的分布。
不出所料，那些用非引導(dǎo)方法生長的細(xì)胞到處都有細(xì)胞結(jié)構(gòu)。但在有指導(dǎo)的方法下——尤其是那些被稱為“背紋”類型的方法——95%的細(xì)胞“幾乎無法分辨”。更重要的是，這些微型大腦也遵循著驚人的相似的發(fā)展軌跡，不同的細(xì)胞類型在幾乎相同的時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)。甚至它們的細(xì)胞起源也無關(guān)緊要：從不同干細(xì)胞中生長出來的類有機(jī)物在它們最終的細(xì)胞居住者中是一致的。
結(jié)論？我們的大腦并不需要胚胎來產(chǎn)生所有的細(xì)胞多樣性；完全有可能在子宮外可靠地長出類腦。
研究結(jié)果對于研究自閉癥、癲癇和精神分裂癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病大有裨益。科學(xué)家們認(rèn)為，這些復(fù)雜疾病的根本原因在于胎兒大腦發(fā)育的紊亂。到目前為止，原因還不清楚。
使用指導(dǎo)下的“背圖案”配方，研究小組現(xiàn)在可以從患者的干細(xì)胞中培養(yǎng)出類有機(jī)化合物，或者通過基因工程技術(shù)改變病理突變來研究它們的效果。因?yàn)檫@項(xiàng)研究證明了以這種方式制造的微型大腦非常相似，研究人員將能夠確定風(fēng)險(xiǎn)因素，并測試潛在的治療方法，而不用擔(dān)心由微型大腦多樣性引起的生物噪音。
阿洛塔已經(jīng)在探索各種可能性。利用CRISPR，她計(jì)劃在干細(xì)胞中編輯可能與自閉癥有關(guān)的基因，并把它們培養(yǎng)成微型大腦。使用同樣的技術(shù)，她也可以將“控制”類有機(jī)物作為實(shí)驗(yàn)的基線。
她說，我們現(xiàn)在可以“更迅速地采取具體的干預(yù)措施，因?yàn)樗鼈儗⒁龑?dǎo)我們找到導(dǎo)致這種疾病的特定基因特征?！薄拔覀儗⒛軌蛱岢龈_的問題，關(guān)于在精神疾病的背景下，哪里出了問題。”
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