美國(guó)科學(xué)家稱,他們已經(jīng)在器皿中培育出近乎完整的大腦。這一成果對(duì)于了解人類(lèi)大腦功能、治療各種精神疾病具有非凡的意義,但也具有潛在的危險(xiǎn)。
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美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的生物化學(xué)和藥理學(xué)教授阿南德(Rene Anand)近日在佛羅里達(dá)舉辦的軍事衛(wèi)生系統(tǒng)研究研討會(huì)上宣稱,他們已經(jīng)在培養(yǎng)皿中培育出近乎完整的大腦。雖然這個(gè)大腦只有鉛筆的橡皮擦頭大小,卻包括了人類(lèi)胎兒大腦中存在的99%的基因,相當(dāng)于5周胎兒大腦的成熟度。
最重要的類(lèi)器官
阿南德等人培育的大腦其實(shí)是類(lèi)器官(organoids)的一種。類(lèi)器官的出現(xiàn)是干細(xì)胞研究的直接成果之一,由干細(xì)胞培育出來(lái)的類(lèi)器官是一種微型器官,或稱迷你器官。這類(lèi)器官具有某些功能,但無(wú)完整的人類(lèi)器官功能,而且在形態(tài)和體積上比真實(shí)的器官小得多,因而統(tǒng)稱為類(lèi)器官。
迄今,研究人員已經(jīng)利用人的胚胎干細(xì)胞和其他干細(xì)胞培育出多種類(lèi)器官。如果以器官的功能和作用來(lái)衡量,大腦無(wú)疑是最重要的類(lèi)器官,因?yàn)樗巧锏闹笓]和行為中心。
根據(jù)阿南德等人的介紹,培育類(lèi)大腦的過(guò)程似乎比較輕松。一開(kāi)始,研究人員把成人皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化成誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞(IPS),這種細(xì)胞可以重編程為任何人體組織。由于人類(lèi)大腦的復(fù)雜性,阿南德等人一直不能培育出大腦組織。直到他們改進(jìn)了技術(shù),把能夠發(fā)育成神經(jīng)組織的細(xì)胞區(qū)分和提取出來(lái),放在一個(gè)模擬子宮環(huán)境的裝置中進(jìn)行培育。
經(jīng)過(guò)12周培養(yǎng),長(zhǎng)成了相當(dāng)于5周大的胎兒的完整大腦。通過(guò)高分辨成像觀察這個(gè)培育出的類(lèi)大腦可以發(fā)現(xiàn),它具有功能神經(jīng)元、軸突、樹(shù)突、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞,同時(shí)激活了大腦中具有典型興奮和抑制功能的神經(jīng)細(xì)胞的標(biāo)記。此外,這個(gè)類(lèi)大腦還連接了脊髓,有信號(hào)傳導(dǎo)甚至視網(wǎng)膜組織。
避開(kāi)倫理爭(zhēng)議
根據(jù)形態(tài)標(biāo)準(zhǔn),這個(gè)類(lèi)大腦具有與真正的大腦相似的完整的組織形態(tài)和各種神經(jīng)元,因此阿南德認(rèn)為,這是一顆完整的大腦。過(guò)去,研究人員曾培養(yǎng)出近似9周大胎兒的腦組織,但不是完整的大腦。
當(dāng)然,這次的類(lèi)大腦也并非完整意義的大腦,因?yàn)榘l(fā)育成5周大的胎兒大腦需要培育15周時(shí)間,但現(xiàn)在只培育了12周,而且只具有人類(lèi)胎兒大腦中99%的基因。不過(guò),如果讓這個(gè)類(lèi)大腦繼續(xù)發(fā)育到16-20周,可能會(huì)發(fā)育和補(bǔ)齊缺失的1%基因。
繼續(xù)培育更成熟的大腦需要血液供應(yīng),阿南德承認(rèn)他們的研究團(tuán)隊(duì)尚無(wú)這種能力。最好的辦法是,制造一個(gè)人造心臟,以幫助這個(gè)大腦進(jìn)一步發(fā)育,如此就有可能讓這個(gè)類(lèi)大腦發(fā)育更成熟,成為擁有完整的人類(lèi)大腦基因的類(lèi)大腦。
當(dāng)然,這只是估計(jì),研究人員能否培育出真正的大小一樣、功能完備的胎兒大腦還是一個(gè)未知數(shù),但是,其意義也非常巨大。
這個(gè)類(lèi)大腦的最大的意義是避開(kāi)了使用胚胎干細(xì)胞的局限和爭(zhēng)論。具有全能分化的胚胎干細(xì)胞是研究人員所心儀的生物醫(yī)學(xué)原材料,因?yàn)檫@可以分化為各種組織和器官,具有貨真價(jià)實(shí)的質(zhì)量。但是,胚胎干細(xì)胞最大的限制是倫理爭(zhēng)議。當(dāng)今世界上無(wú)論哪個(gè)國(guó)家的研究人員都不敢越雷池一步,即使用人的胚胎干細(xì)胞只能研究限于14天的胚胎,此后就要銷(xiāo)毀胚胎,這是各個(gè)國(guó)家人類(lèi)胚胎干細(xì)胞研究倫理的基本準(zhǔn)則。
所以,阿南德等人的研究采用的是成人的皮膚細(xì)胞,并生成誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞,回避了人類(lèi)胚胎干細(xì)胞的倫理爭(zhēng)議,這實(shí)際上是一個(gè)非常巧妙的研究途徑和方式。
精神病患者的福音
相當(dāng)于5周大胎兒的類(lèi)大腦有什么作用?阿南德提供的答案是,這個(gè)大腦模型能進(jìn)行藥物試驗(yàn)。在藥物上市前必須進(jìn)行臨床人體一至三期試驗(yàn),在進(jìn)行人體試驗(yàn)之前,可以用這種類(lèi)大腦檢測(cè)研發(fā)的新藥,其次可以利用類(lèi)大腦對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病如阿爾茨海默?。ɡ夏晷园V呆)、帕金森病等進(jìn)行研究,包括這些病的大腦生物學(xué)原因、病理和環(huán)境對(duì)大腦影響的研究。
在阿南德等人培育出類(lèi)大腦之前,能夠利用的技術(shù)是用干細(xì)胞培育出神經(jīng)細(xì)胞來(lái)治療帕金森病或阿爾茨海默病,但是迄今也只是到達(dá)動(dòng)物試驗(yàn)階段。以帕金森病為例,該病的部分發(fā)病原因被視為大腦中的多巴胺神經(jīng)元受損,這類(lèi)神經(jīng)細(xì)胞不能制造傳遞神經(jīng)信號(hào)的物質(zhì)多巴胺。因此用干細(xì)胞培育出多巴胺神經(jīng)元并移植到患者大腦中就成為一種有希望的治療方法。
2012年,日本京都大學(xué)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPS)研究所的高橋淳研究小組在美國(guó)《干細(xì)胞》雜志上發(fā)表文章稱,該研究小組從猴子受精后1周的受精卵內(nèi)側(cè)取出一部分細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng),制作成胚胎干細(xì)胞,再讓胚胎干細(xì)胞生長(zhǎng)42天,使其生長(zhǎng)為神經(jīng)細(xì)胞,然后再將這些細(xì)胞制作成含有35%的能夠分泌多巴胺的神經(jīng)細(xì)胞團(tuán)塊。
此后,把這些細(xì)胞團(tuán)塊分別移植到4只患有帕金森病的猴子腦內(nèi)。6個(gè)月之后,猴子的手足震顫都消失了,從原先抱著籠子不能活動(dòng)的癱瘓狀態(tài)變?yōu)槟軌蛟诨\子中來(lái)回走動(dòng)。檢查發(fā)現(xiàn),猴子的腦中長(zhǎng)成了新的多巴胺能神經(jīng)元。
2013年,高橋淳研究小組又利用一只猴子的iPS細(xì)胞培育出多巴胺神經(jīng)元,對(duì)同一只猴子進(jìn)行自體移植以及對(duì)其他猴子進(jìn)行異體移植試驗(yàn),3個(gè)月后觀察猴子腦部變化,結(jié)果顯示,接受自體移植的猴子幾乎未出現(xiàn)排異反應(yīng),并且改善了其帕金森病癥狀。但在接受異體移植的猴腦內(nèi),一部分移植的細(xì)胞因排異反應(yīng)而死亡。這說(shuō)明用自體細(xì)胞誘導(dǎo)生成干細(xì)胞,再定向培育成多巴胺神經(jīng)元可以避免免疫排異反應(yīng),有效治療帕金森病。
顯然,無(wú)論是用誘導(dǎo)多能干細(xì)胞生成的多巴胺神經(jīng)元還是胚胎干細(xì)胞生成的多巴胺神經(jīng)元進(jìn)行移值,都可以有效治療靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物的帕金森病,下一步需要進(jìn)行人的試驗(yàn)才能確定這種神經(jīng)元移植是否可以治療人的帕金森病。
現(xiàn)在,阿南德等人培育出了5個(gè)月大胎兒的類(lèi)大腦,比此前的干細(xì)胞移植治療帕金森病具有更大的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)檫@種類(lèi)大腦的細(xì)胞已經(jīng)大致形成雛形,有成熟的分門(mén)別類(lèi)的神經(jīng)細(xì)胞。因此可以直接從中提取多巴胺能神經(jīng)元來(lái)進(jìn)行移植試驗(yàn),看看治療帕金森病甚至阿爾茨海默病的效果如何。這種方式就比干細(xì)胞培養(yǎng)和移植大大地前進(jìn)一步。
類(lèi)大腦不只是供移植治療疾病。對(duì)于各種神經(jīng)精神疾病的研究,類(lèi)大腦能夠提供生物實(shí)物模型。例如,對(duì)于抑郁癥、精神分裂癥、自閉癥等至今束手無(wú)策的疾病,不僅可以從解剖部位來(lái)定向定位研究,還可以從大腦組織和大腦物質(zhì),包括大腦分泌的種種物質(zhì)以及生物電流來(lái)研究。
更重要的是,如果能培育大腦,也為人們直觀地了解大腦提供了一個(gè)難得的機(jī)會(huì)和方式,尤其是對(duì)于2013年發(fā)起的人腦計(jì)劃具有重要幫助,甚至具有決定意義。如果研究人員能全程觀察到大腦是如何生長(zhǎng)和發(fā)育的,對(duì)于上述任務(wù)以及其他大腦任務(wù)的完成就提供了實(shí)時(shí)和真實(shí)的模型。例如,海馬回是何時(shí)長(zhǎng)成的,是否對(duì)記憶和學(xué)習(xí)有重要作用,以及如何起作用,都可以在觀察大腦中的海馬回生長(zhǎng)和形成中獲得線索甚至答案。
潛在的危險(xiǎn)?
然而類(lèi)大腦的最大作用是,它能否作為一個(gè)完整的大腦行使人的智慧功能,如果可以,就比仿制大腦的人工智能或智能機(jī)器人要強(qiáng)大得多,但也危險(xiǎn)得多。用誘導(dǎo)多能的干細(xì)胞培育大腦雖然繞過(guò)了胚胎干細(xì)胞的倫理限制,卻具有更大的潛在危險(xiǎn)。
阿南德稱,培育出的這個(gè)大腦沒(méi)有意識(shí),也不會(huì)思考,相關(guān)研究不存在任何倫理問(wèn)題。而且,基于大腦功能的形成是要與現(xiàn)實(shí)形成反饋和神經(jīng)回路,阿南德也認(rèn)為,“我們不向這個(gè)大腦輸入任何感官刺激。這個(gè)大腦不以任何方式進(jìn)行思考”。即便如此,未來(lái)利用這種類(lèi)大腦還是有太多的想象和實(shí)施的空間。
如果這個(gè)類(lèi)大腦培育的時(shí)間更長(zhǎng),讓其發(fā)育成擁有人類(lèi)大腦所有基因的完整大腦,而且在培育這種大腦的同時(shí)制備相應(yīng)的各種人體器官甚至是多種材料的機(jī)器人軀體,讓這個(gè)類(lèi)大腦能指揮四肢和機(jī)器人的所有行動(dòng),同時(shí)在類(lèi)大腦發(fā)育的后期像人的大腦發(fā)育一樣,給予其刺激,讓其具有成人的思維或超越人類(lèi)的思維與智力,這就可能超越目前為止所有的人工智能對(duì)人類(lèi)的威脅。