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，比如孤獨癥和精神分裂癥，帶來了難題。一些專家認為，相比于其他醫(yī)學(xué)分支，精神病學(xué)領(lǐng)域的研究進展顯得相對緩慢。

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)家將人類腦細胞移植到了年幼大鼠的大腦中，這些細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)，為了解腦細胞的活動打開了一扇窗口。這項新研究就是建立在該團隊先前創(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)家將人類皮膚細胞轉(zhuǎn)化為干細胞，然后誘導(dǎo)它們成為幾種類型的腦細胞。這些細胞隨后增殖，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)，在這個階段的幼鼠大腦內(nèi)，連接仍在形成。被植入的類器官會不斷成長，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。

在實驗室培養(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）

通過這些實驗操作，研究人員發(fā)現(xiàn)人類細胞被整合進入了回路中，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)植入的細胞在新環(huán)境中并不會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。

實驗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，而且會與大鼠腦的神經(jīng)元形成工作連接。（圖／ Pa ca Lab, Stanford University）

其實，人類神經(jīng)元先前也曾被移植到嚙齒動物身上，但一般都是成年動物，通常是小鼠。這項新實驗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的由人類皮膚細胞構(gòu)建的人類大腦回路系統(tǒng)，并證明了植入的人類神經(jīng)元可以影響動物的行為。

實際應(yīng)用

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

過了大約 5 到 6 個月后，他們看到了與神經(jīng)元活動相關(guān)的疾病影響。兩側(cè)的電活動出現(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，如果他們用孤獨癥或精神分裂癥等疾病患者的細胞所生長的類器官進行同樣的實驗，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，這種在動物身上進行的實驗也引發(fā)了倫理關(guān)注。

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

盡管如此，團隊仍然認為，這類實驗不應(yīng)該在靈長類動物身上嘗試。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。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)家正在研究動物體外的人腦類器官。

比如，有研究介紹了他們?nèi)绾卧趯嶒炇抑校酶杉毎嘤鲱愃拼竽X的組織，然后繪制出不同腦區(qū)的細胞類型和調(diào)控發(fā)育的基因。一些人正在使用這些結(jié)構(gòu)來研究孤獨癥。