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神奇的“迷你大脑”

作者:    

小鼠的后背上长出人耳朵已经不是什么稀奇事儿了,可你听说过培养皿中长出的“大脑”吗?利用分化能力超强的干细胞,研究人员终于在实验室条件下培育出了苍蝇眼睛大小的“迷你大脑”,这也意味着,我们对脑部的发育和脑部相关疾病的研究,将迈入一个崭新的纪元。

迷你大脑的诞生
从人体中的干细胞培育而来,最终发展成一团纠缠在一起的神经元——迷你大脑听起来就像是蒂姆波顿暗黑系童话电影中的一个道具。但是在2016年时,美国约翰霍普金斯大学的研究人员真的培育出了肉眼可见的“迷你大脑”——一个能够模仿人脑结构和某些功能的神经元和细胞组成的团状组织。
迷你大脑起始于普通的皮肤细胞——研究人员提取了提摩西综合征(一种常导致患者在幼年时夭折的神经发育障碍)患者的皮肤细胞,并在将皮肤细胞转化为干细胞之后,给予干细胞相应的营养物质和信号分子,这样,干细胞就沿着胎儿大脑皮质在母体子宫中的发育路径,慢慢地发育成了类脑组织。
哈佛的研究人员在此基础上更进一步,他们培育了超过8万个类脑组织,并对这些组织的发育和成熟进行了长达9个月的观察,而9个月也正是人类妊娠周期的长度。和研究人员预期的一样,迷你大脑中出现了神经元细胞和支持滋养神经元的神经胶质细胞。除此之外,迷你大脑中还出现了抑制神经活动的抑制细胞和构成胼胝体(连接左脑和右脑的结构)的细胞。不过最令研究人员惊讶的是,迷你大脑中甚至还出现了视网膜细胞,而且在光照的条件下,这些细胞之间还会发射电信号!在研究进行到第八个月的时候,研究人员发现,这些迷你大脑的密度,已经和人类胎儿大脑皮质的皮肤基本相似了。脑细胞们连接在一起,形成了工作循环,有条不紊地“工作”着。
迷你大脑有思想吗?
既然迷你大脑能够在一定程度上模仿人脑的部分结构和功能,那么另一个问题也就随之而来了:它们是有意识和思想的吗?
发表于《自然》杂志上的一篇研究表示:与人脑不同的是,迷你大脑并不会产生任何的思想或情感。人之所以能够将外界的信息传递给大脑并让大脑进行加工和存储,都仰仗于我们的感官系统对外界信息的感知。而对于迷你大脑来说,没有外界刺激的输入,高级认知过程的发生也就无从谈起。所以我们不必担心其中可能会产生的伦理道德问题,这也为迷你大脑发挥无穷潜力提供了必要的前提。
迷你大脑帮你试药
“迷你大脑”一经诞生,就被科学家们寄予厚望,他们希望能够通过这些小小的培养皿产物,重现患有某些严重的精神疾病和神经性疾病(如精神分裂症和阿尔茨海默症等)的患者的大脑,并给某些实验性疗法提供一个更好的“实验田”。显然,相较于小白鼠的大脑来说,具有人脑的部分结构和功能的迷你大脑能够给出更加精准的反应。虽然一直应用的小鼠模型也很有用,但是我们毕竟不是60千克重的耗子,我们从迷你大脑中得出的信息,将远远多于小鼠模型。有调查显示,95%的在动物实验中看似前途一片光明的药物,在应用于人类临床研究中都会失败,而迷你大脑的出现,则能够帮助研究人员缩短研究周期,节省研究资源。
不仅仅是精神疾病,迷你大脑对任何可对大脑造成损伤的疾病来说都有很重要的作用。还记得席卷了多个国家和地区的虫媒病毒寨卡病毒(Zika virus)吗?寨卡病毒的主要并发症就是新生儿先天性小头畸形症。为了更好地对抗寨卡病毒及其并发症,美国佛罗里达州立大学的研究人员就计划利用迷你大脑,来探究病毒攻击脑细胞的速度,以及在感染的不同阶段中大脑是如何做出反应等一系列的问题,从而更加直观地研究寨卡病毒的感染机制,并研制出更加有效的预防方法。
迷你大脑还能揭示社交秘密?
研究已经证实:大脑皮层是思想和行为的“管家”,其中也包括社交行为的脑部结构。为了理解大脑发育是如何影响社交能力的,美国加州大学的研究人员分别从患有自闭症和蕾特氏症——其特点为人际交往和情感交流障碍的儿童,和患有威廉斯氏综合征——其特点为虽然有学习障碍但社交能力异常好的儿童的乳牙牙髓中提取了干细胞,并通过给予相应的营养物质将这些干细胞培育成了“大脑皮层”。
研究人员发现,利用两类截然相反的儿童的干细胞培育出的迷你大脑,也走向了两个相反的极端:自闭症干细胞和蕾特氏症干细胞培育出的迷你大脑中形成的神经联结较少,且阻碍大脑中信号传递的抑制性神经元数量较多;相反的,威廉斯氏综合征干细胞培育出的迷你大脑中形成的神经联结则远远高出了一般水平,且皮质层之间的连接丰富且紧密——这对于社交能力来说是非常重要的。
病症的治疗和干预始终是我们最为关心的话题。研究人员发现,一种叫做“IGF1”的生长因子能够刺激蕾特氏症干细胞培育出的迷你大脑中神经联结的形成,目前已经有人将其应用于蕾特氏症的临床治疗当中了。另外,由于迷你大脑中存在视网膜细胞,研究人员还计划研发出能够感知到光照和刺激的“眼睛”,并将其与迷你大脑进行连接。这样,就能够通过刺激“眼睛”来观察大脑变化,并研究出更加具体有效的治疗方法了。

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