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如果说人体有哪一个器官是最不可或缺而又最神秘莫测的，那么答案一定是人脑。正是得益于高度发达且结构复杂的人脑，我们可以进行顺畅的交流对话、肆意的胡思乱想、以及在思考自我的过程中意识到自身在宇宙中的渺小。 甚至，我们全部的喜怒哀乐、性格习惯，都是由这个不到3斤重、充满脂质的细胞团所决定的。 然而，我们对自己的这个“CPU”却仿佛知之甚少。即便人类已经对神经细胞和模式动物的研究已经令我们大大加深了对大脑的认知，可毕竟人脑过于的复杂，所以至今为止，人脑发育过程中的诸多细节仍然是一个谜。 在今日上线的新一期《自然》杂志中，来自斯坦福的Pasca博士团队和来自哈佛的Arlotta博士团队发表了两篇论文，不约而同地介绍了基于人类干细胞的“人造大脑”——类脑器官体对人脑发育的研究。 那么，到底什么是类脑器官体呢？ 得益于干细胞科学的进步，科学家通过对一些干细胞进行化学诱导，这些干细胞可以分化成为神经细胞。经过悬浮培养，这些神经细胞可以形成一个个错综复杂而又鲜活的神经细胞聚合团，这些聚合团常被称作类脑器官体。 这些类脑器官体具有大脑的初级形态，但并不是真正的大脑，而是研究者为了研究而制造的简化模型，就像船模一样的各种模型。类脑器官体最初大多数被用在疾病研究中，最典型的就是寨卡病毒导致的小头畸形这种与大脑形态大小相关的疾病。 图 | 类脑器官体 众所周知，人类大脑复杂且精细，需要上百万的细胞协同工作。在这个过程中，抑制性神经细胞对兴奋性神经细胞的调控起到了重要的作用。兴奋—抑制失调被认为是很多大脑疾病的根源，比如癫痫、孤独症等。 在胚胎发育过程中，兴奋性神经细胞在前脑背侧产生，而抑制性神经细胞在前脑腹侧产生。在发育的随后几个月里，抑制性神经细胞努力接近对方、融合、成熟、并整合成神经网络。这一过程是脑发育的一大里程碑，之前从未有人成功将此过程在体外建模。 为了在体外重建这一过程，Pasca团队通过不同的诱导，分别得到兴奋性神经细胞与抑制性神经细胞聚合团。他们将这两个类脑器官体放到一起进行培养。两个细胞团开始融合，抑制性神经细胞穿过兴奋性神经细胞团到达特定的位置，成功再现了这一过程。 图 | 使类脑器官体融合 为了观察疾病对抑制性神经细胞迁移的影响，Pasca团队又使用提摩西综合征（一种遗传病，患者有孤独症的表现）患者体细胞培养分化出类脑器官体，进行的相同的实验。结果让人欣喜。通过对抑制性神经细胞的追踪，他们发现患者的抑制性神经细胞与健康细胞不同，并没有特定的迁移方向。 Pasca博士认为，造模成功为使用患者来源的类脑器官体进行药物筛选提供了可能。那么问题来了：这些“人造大脑”究竟有多像真正的人脑？ 图 | 一个白白胖胖的“人造大脑” 来自哈佛的Arlotta团队对这些问题有一个很好的回答。 他们猜测，也许通过长时间的培养，类脑器官体可以分化出更多的细胞类型。为了长时间培养，他们将干细胞形成的微型胚胎体“种植”在含有神经诱导因子和神经营养因子的培养液里。细胞团就这样在一个相对不受约束的环境中，慢慢生长了近一年的时间。 结果是让人兴奋的，或者说是惊人的。 为了研究类脑器官体中细胞的多样性，他们对来自 31 个人类来源的类脑器官体中的 8,000 多个细胞进行了单细胞测序，并分析它们的基因转录组特点。 他们发现类脑器官体中的不仅仅有星型胶质细胞，神经上皮细胞等成分，还有广泛且多样的神经细胞，包括多巴胺能神经细胞，前脑神经细胞，甚至视网膜中的感光细胞、双极细胞和神经节细胞。进一步的分析还发现了上述细胞多种亚型的存在，说明类脑器官体中细胞有极高的多样性。 图 | 类脑器官体 在类脑器官体生长的前六个月，研究者观察到各种神经细胞的形态逐渐发育成熟，产生树突棘等结构。这说明它们正在与其他神经细胞建立连接。 除此之外，研究者还发现先前存在的视网膜感光细胞进一步分化成视杆细胞和视锥细胞，与人体中自然生长的过程十分相似。 生长到8个月时，类脑细胞体中甚至形成了活跃的神经网络。因为类脑细胞体中存在感光细胞，研究者十分好奇这些感光细胞是否有功能，并激活相关的神经网络。研究者将记录神经细胞电活动的电极插入类脑细胞体，来记录神经细胞兴奋时产生的电活动。 当把一束光照在类脑细胞体上时，其中的感光细胞产生了剧烈的电信号变化。随后，这些感光细胞，使网络中的一系列细胞都兴奋了起来，点亮了整个神经网络！ 这意味着类脑器官体可以形成有功能的神经环路，在某种程度上具有类似真脑的自我调控功能。这些结果都表明类脑器官体在很多方面成功模拟了人脑，虽然在可见的几年之内它还不能发展成为真正的人脑，但更加遥远的未来还真的说不准。 也许有一天，人们可以根据自己的脑中的连接定制“人造大脑”，复制自我的思想，甚至以一种奇怪的方式“长生不老”。想到这里，你，怕了么？ -End- 参考文献： https://www./2017/04/scientists-brew-creepiest-batches-brain-balls-yet/ http://dx./10.1038/nature22047 编辑：沙吉惠/Verdi |
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