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微型人造大腦首次產生類似早產兒腦電波信號,神經元或已建立數十億個連接

醫療健康 來源: 作者:王新凱

幸运时时彩當扁豆大小的神經細胞在實驗室培養皿中生長時,它們開始發出有節奏的電信號。在《細胞干細胞》近日發表的一項研究中,研究人員發現,從人類干細胞中培育的大腦類器官產生的腦電波,隨著發育的進展變得更加復雜,并在微型大腦中形成功能神經回路。而且這些腦電波與人類嬰兒發育大腦中的某些特征相同。

幸运时时彩科學家們用發育了功能性神經網絡的干細胞創造出的微型大腦,盡管大小只有人類大腦的一百萬分之一,但它們是第一個被觀察到產生類似早產嬰兒腦電波的大腦類器官,這項研究可以幫助科學家更好地理解人類大腦的發育。


圖 | 10個月大的人類大腦類器官(來源:MUOTRI LAB, UCSD)

“我們在離體環境下看到的神經活動水平是前所未有的,”加州大學圣迭戈分校的生物學家Alysson Muotri說。“我們離建立一個能夠生成復雜神經網絡早期階段的模型又近了一步。”

幸运时时彩Muotri說:“你可以用大腦類器官做一些事,包括了解正常的人類神經發育、疾病建模、大腦進化、藥物篩選,甚至是人工智能。”

大腦類器官

幸运时时彩人腦細胞的三維球體被稱為大腦類器官,是人腦相對簡單的模型。盡管很簡單,但這些容易獲得的類器官已經提供了一個更好的方法,讓科學家們來研究大腦是如何形成的,以及這個過程是如何出錯的。

幸运时时彩雖然在這些球狀類器官中發現的基因表達、細胞類型和發育中的人類大腦有相似之處,但尚不清楚它們是否是探索神經網絡形成的合適模型。

幸运时时彩在這項最新研究中,研究人員培養出的大腦類器官,由人類多功能干細胞分化而來。通過將干細胞置于模擬大腦發育環境的培養環境中,干細胞分化成不同類型的腦細胞,并組織成類似于發育中的人腦的三維結構。

幸运时时彩此前,科學家們已經成功培育出與人類大腦相似的類器官,然而,之前的模型都沒有開發出類似人類的功能神經網絡。當神經元成熟并相互連接時,網絡就出現了,它們對大多數大腦活動都是必不可少的。

在這項研究中,Muotri和他的同事設計了一個更好的方法來培養干細胞,包括優化培養基配方。這些調整使得它們的類器官比以前的模型更加成熟。研究人員誘導干細胞形成構成大腦外層的一些神經元,在10個月的時間里培養了數百種類器官。這些皮質類器官在實驗室的培養皿中生長,培養皿中裝有沿底部排列的電極陣列,讓科學家能夠在類器官發育時監測其電活動。

研究小組在大約兩個月的時候就開始探測到來自于類器官的腦電波。Alysson Muotri說,在4到6個月的時間里,實驗室培養的細胞電活動達到了“前所未有”的水平。他說,這些信號表明,類器官中的神經元已經建立了數十億個連接。


圖 | 人腦類器官的橫截面(來源:MUOTRI LAB, UCSD)

9個月大時,這些類器官表現出與新生兒大腦活動相呼應的腦電活動。為了研究了類器官腦電波和人腦之間可能存在的相似之處,研究小組通過收集24 - 38周早產兒的腦電圖數據,訓練了一個機器學習算法,根據腦電圖檢測到的神經活動來確定受試者的年齡。當研究小組向計算機輸入來自大腦類器官的信息時,它無法將多電極陣列收集到的類器官腦電圖數據區分開來。

“類器官的進化方式與人類嬰兒的大腦相同,9個月時達到了與新生兒相似的水平。”Muotri說。

“由成纖維細胞發展而來的類器官的想法真的很令人興奮,它將為我們提供一些病人特異性的信息,”斯坦福大學的電生理學家John Huguenard說,他沒有參與這項研究。“我對他們所看到的活動的性質不太感興趣。但這是一個信號,表明他們正在朝著正確的方向前進,不過我們還沒有完全走到這一步。”

接近人類的大腦

不過,Muotri認為,這些類器官不太可能具有意識等精神活動。“這個類器官仍然是一個非常初級的模型——沒有大腦的其他部分和結構。所以這些腦電波可能與真實大腦中的活動沒有任何關系。”

幸运时时彩研究人員表示,盡管這些類器官可以在實驗室里存活數年,但它們的腦電活動在9個月左右趨于穩定。要使類器官得到更進一步的發展,還需要更多的改進。

Muotri說:“在未來,我們可能會得到一些非常接近人類大腦中控制行為、思想或記憶的信號。但我不認為現在有任何證據表明我們獲得了任何這些(信號)。”

幸运时时彩視頻 | 實驗室培育的大腦類器官檢測到類似于新生兒大腦的腦電波(來源:MUOTRI LAB/UCTV)

“作為一名科學家,我想越來越接近人類的大腦,”Muotri說。“我想這么做,因為我看到了其中的好處。我可以幫助有神經疾病的人,給他們更好的治療和更好的生活質量。但這要由我們來決定極限在哪里,可能是技術還沒有準備好,或者我們不知道如何控制技術。這是關于CRISPR嬰兒同樣的討論,這就是為什么我們有道德委員會來代表社會的所有部分。”

“這是一份有趣的報告,將捕捉到早產兒的正常大腦活動與類器官活動腦電圖進行比較,但我認為我們必須謹慎對待。”加州大學舊金山分校干細胞生物學家Arnold Kriegstein表示,他并沒有參與這項工作。他解釋說,與在體內發育的大腦不同,這些類器官缺乏與大腦其他區域的連接,也缺少抑制神經元,而抑制神經元是人腦腦電圖活動的主要基礎。這些問題引發了關于這些腦電活動背后的機制問題,以及這些回路的形成是否與真正的皮層有任何相似之處。

俄亥俄州哥倫布市全國兒童醫院的神經學家Mark Hester 說,這項研究“為分析這些神經網絡是如何形成的提供了一個初步框架”。重要的是要記住,這些類器官并不是真實存在的,而僅僅是一個模型。“我們看到的不是一個微型大腦。”

幸运时时彩展望未來,該團隊的目標是進一步改善類器官,并利用它們來了解與神經網絡故障相關的疾病,如自閉癥、癲癇和精神分裂癥。Muotri和他的同事正在探索增加復雜性的方法,可能是通過增加更多類型的細胞或血液供應。科學家們正在刺激這些類器官,傳遞類似于神經元可能從其他大腦區域或外部世界接收到的信號,這些信號是已知的塑造大腦發育的力量。

參考:

http://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(19)30337-6

http://www.sciencedaily.com/releases/2019/08/190829150824.htm

http://www.sciencenews.org/article/clumps-nerve-cells-lab-spontaneously-formed-brain-waves

http://www.the-scientist.com/news-opinion/human-cortical-organoids-make-brain-waves-66368

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