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科学家们已经从干细胞中创造了微型大脑，开发出功能性神经网络。尽管比人脑小一百万倍，但这些实验室培养的大脑是第一个观察到产生类似于早产儿脑电波的大脑。这项研究于8月29日发表在“ 细胞干细胞 ”杂志上，可以帮助科学家更好地了解人类的大脑发育。
“我们所看到的神经活动水平在体外是前所未有的，”加利福尼亚大学圣地亚哥分校的生物学家Alysson Muotri说。“我们距离拥有一个能够真正生成复杂神经网络早期阶段的模型更近了一步。”
豌豆大小的大脑，称为大脑类器官，来源于人类多能干细胞。通过将它们置于模拟大脑发育环境的培养物中，干细胞分化成不同类型的脑细胞并自组织成类似于发育中的人脑的3-D结构。
科学家已成功培育出类似于人脑细胞结构的类器官。然而，之前的模型都没有开发出类似人类的功能神经网络。当神经元成熟并相互连接时，网络就会出现，它们对大多数大脑活动都是必不可少的。
“你可以将脑器官用于多种事物，包括了解正常的人类神经发育，疾病建模，大脑进化，药物筛选，甚至为人工智能提供信息，”Muotri说。
脑类器官的横截面，显示皮质板的初始形成。每种颜色都标志着不同类型的脑细胞。图片来源：Muotri Lab / UCTV
Muotri及其同事设计了一种更好的干细胞生长方法，包括优化培养基配方。这些调整使他们的类器官比以前的模型更加成熟。该团队长达数百个类器官10个月，并使用多电极阵列监测他们的神经活动。
该团队在大约两个月后开始检测来自类器官的脑电波爆发。信号很稀疏并具有相同的频率，这是在非常不成熟的人类大脑中看到的模式。随着类器官继续生长，它们以不同的频率产生脑电波，并且信号更加规律地出现。这表明类器官进一步发展了它们的神经网络。
“这是因为有更多的功能性突触，你在神经元之间建立了更多的联系，”Muotri说。他说，神经元之间的相互作用有助于各种频率的信号。
为了比较早期发育过程中类器官的脑波模式和人脑的脑波模式，该团队训练了一种机器学习算法，该算法记录了从6个月到9个半月大的39个早产儿的脑电波。该算法能够预测器官在培养物中发展了多少周，这表明这些类器官和人类大脑具有相似的生长轨迹。
这个由多电极阵列产生的活动图显示了大脑类器官的活跃程度 - 红色意味着非常活跃，黑色意味着沉默。图片来源：Muotri Lab / UCTV
然而，Muotri说，这些类器官不太可能具有心理活动，例如意识。“类器官仍然是一个非常基本的模型 - 我们没有其他大脑部分和结构。所以这些脑电波可能与真正大脑中的活动没有任何关系。”
“可能在未来，我们将获得一些非常接近控制行为，思想或记忆的人类大脑信号的东西，”Muotri说。“但我认为我们现在没有任何证据表明我们有任何这些证据。”
展望未来，该团队旨在进一步改善类器官，并利用它们来了解与神经网络功能障碍相关的疾病，如自闭症，癫痫和精神分裂症。
“作为一名科学家，我希望能够越来越接近人类大脑，”穆特里说。“我想这样做，因为我看到了它的好处。我可以通过给予他们更好的治疗方法和更好的生活质量来帮助患有神经系统疾病的人。但是由我们来决定限制的位置。可能是技术还没有准备好，或者我们不知道如何控制这项技术。这与围绕CRISPR的婴儿的讨论是一样的，这就是为什么我们有道德委员会来代表社会的所有部分。“