泡在培养皿中的人造大脑,居然偷偷向外界发出脑电波

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01-02 18:17

研究人员 M 瞪大由于经常熬夜充满着血丝的双眼,惊喜又惶恐地看着实验室培养皿中仅有豌豆大小的脑细胞团在不断地发出电脉冲。

发生这种情况只有两种可能,一是电极故障了,二是这团脑细胞正在向外界发出脑电波。

M 不断地告诉自己要冷静,但把设备都检查一遍后,他再也冷静不下来了,因为设备没有坏,这团不成型的「大脑」确实在对外发出脑电波。

M 瘫坐在地上,因为他不知道,这次的发现对于人类来说究竟是好事还是坏事……

上面这一段,并非科幻小说里面的桥段。里面的研究员 M 是加利福尼亚大学圣地亚哥分校的 Alysson Muotri,他的这一段经历,也已经记录在了他的论文当中,发表了在《细胞干细胞》杂志上。

培养一个迷你大脑,只需要三步

怎么样培养一个大脑?只需要三步。

第一步将大脑种到土里,第二步浇水灌溉,第三步等待新的大脑长出来。

你可能以为我在开玩笑,是事实确实如此。

回顾一下初中生物课本,我们人体内有一种细胞叫做干细胞。这种细胞是一种具有强复制能力的多潜能细胞,在一定条件下可以分化成不同类型的细胞。

▲ 干细胞分化模式

那么要培养一个细胞出来,其实就跟上面那三个步骤差不多了。干细胞就相当于「种子」,然后适当的化学物质和生长因子的混合物就相当于「土壤」。只要将干细胞放入具有上述混合物的培养皿当中加以培养,干细胞就会进行自我复制,并且分化成脑细胞。

随后,这些人工培养的细胞就会自行发育成脑组织,并且呈现出部分大脑神经元的特质,甚至还能形成脑沟和脑回的形态。

上面提到的在培养皿中培育出来的迷你大脑,就是由干细胞分化而成的脑细胞所组成的,而通过这种方法培育出来的器官,也被称为类器官 。

曾经为了研究大脑,甚至有人不惜屠杀儿童

为什么要现在这么多研究团队驾驶培养微型大脑?

作为人类最重要的器官之一,人类对于大脑的认识其实还相当匮乏。大脑也因此成为了科学家极为渴望研究的器官之一。

在詹姆斯·怀勒于 1931 年拍摄的《科学怪人》当中,主角弗兰肯斯坦通过残肢拼凑出了一副人造肉体。弗兰肯斯坦为了不浪费这幅人造肉体的机能,取下了一个杀人犯的大脑,移植到了人造肉体上,最终让副肉体成为了一个杀人狂。

▲《科学怪人》1931

电影恐怖,但现实当中人类对于研究大脑的痴迷,甚至比电影、比哥特小说还要恐怖。

20 世纪 70 年代,位于维也纳的奥托瓦格纳医院地下室里被发现摆满了几十个大大小小不同的罐子,这些罐子里装的东西,是儿童的大脑。

在纳粹时期,纳粹医生海因里希·格罗斯在医院开设了一个「特殊儿童病房」并且关押了一批智力缺陷的儿童。没过多久,这批儿童就遭到了集体屠杀,大脑也被取了出来,供海因里希·格罗斯解剖研究使用。

当然,这些如此变态的手法只是极少数,而且这些年随着捐献器官越来越被大众所接受,用于研究用途的捐献大脑已经越来越充足了。

▲比利时迪纲尔的精神病院所收藏的大脑,这样的大脑在该医院有 3000 多颗,图片来自:Reutuers

不仅如此,现在还有一个新的方法,来让科学家获得研究用大脑,那就是上面所说到的人工培育微型大脑。

这些微型大脑可以帮助研究人员更好地进行病理学、解剖学和药物学方面的研究,甚至比起从遗体捐献中获得的大脑还有一个优点。

由于早期发育的大脑很难获取,所以在这方面的研究,一直缺乏实验材料,而如今微型大脑的培育,恰好可以补充这方面的空白。

对于培育微型大脑,杜克大学教授,新兴神经技术的生物伦理学专家 Nita Farahany 表示

很高兴看到人类正在开发出更好的大脑替代品。

人造大脑,向外界发出了信号

在普及完什么是微型大脑,以及它有什么用之后,我们回到文章开头的场景。

Muotri 在第一次检测到了微型大脑发出的脑电波后,便对它进行了持续的监察

前期微型大脑发出的脑电波还是断断续续的,但到了 4 到 6 个月之后,脑电波的活跃度达到了「前所未有」的水平。

▲ 微型大脑的真正长相. 图片来自:UCSD

Muotri 表示,这些脑电波表明,微型大脑中已经建立起了几十亿个连接。

随后更让人兴奋的是,这些泡在培养皿里的微型大脑,居然发生了和新生儿大脑活动水平相当的脑电波。

为了研究这些微型大脑的脑电波和人类大脑的有什么关联,研究小组收集了 一批 24~38 周早产儿的脑电图数据,并且通过这些数据训练出了一个机器学习算法。

该机器学习算法,可以通过脑电图去判断受试者的年龄。

然后,Muotri 将微型大脑收集而来的脑电波数据输入到了算法当中,算法所的除的结果是,居然与 9 个月产儿的大脑活动水平相同。

是福,还是祸?

这次的发现,无论是对大脑研究还是类器官研究来说,都相当重要。

首先,它改变了人们的认知。人们认为,只有完整的大脑才能真正形成这些复杂的网络,如今事实告诉我们并非如此。

其次,通过研究微型大脑发出的脑电波,研究人员可以更好地研究精神类疾病。

大脑发育研究所的分子遗传学家、神经科学家 Jennifer Erwin 就对这次的发现给予了极大的肯定,她表示,利用这一发现,研究人员可以从另外一个角度重新开始研究精神分裂症。

▲ 被分切成了 240 片的爱因斯坦大脑

一些神经系统和精神疾病,患者的大脑结构是会出现变异的。但是有另外一些精神类疾病,例如精神分裂症、躁郁症和自闭症等,大脑结构是没有损伤的,脑电波才是真正失调的地方。

而利用这次的发现,研究人员终于能够更好地对这类型疾病进行分析。

但这次的研究,也让催生出了不少人对于类器官培植新的担忧。

在上文中登场过的杜克大学教授 Nita Farahany 在夸完了这次的发现后,转个头就表示了自己的担忧:

我们有必要担忧,这些类器官是否有可能发展出任何类似人类感觉的能力。

他认为,在确定了培养皿中的微型大脑并非简单的「一坨」组织之后,就有必要考虑,这些人造大脑是否会获得人类的意识。假如这种意识存在,那么关于类器官的研究可能就需要改变一下规范了。

最直观的,就是是否允许科学家将这些类器官移植到人类或者动物体内?毕竟现在已经有相对简单的类器官被移植到了小白鼠身上。而且,相信大家也不会希望「科学怪人」真的会在现实中出现。

Farahany 认为在未来,科学家可能会找到一种方法,来使类器官在实验室中保持全盛婴儿期的状态。

Moutri 则表达出了反对意见,目前研究的微型大脑的中只有 18 种细胞类型,而人类电脑中却有超过 100000 种,距离真正的大脑还相距甚远,现在就对大脑类器官研究施加限制为时过早了。

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