■傅昭儀
從近代科學誕生以來,人類對于大腦的研究未曾斷絕,且始終處于生命科學的前沿領域。然而,大腦樣本的稀缺性和珍貴性限制了大腦體外研究的發(fā)展。近些年,科學家們利用胚胎干細胞、誘導多功能干細胞等人體干細胞成功在體外構建出大腦類器官。這類組織可以像正常的新生腦細胞那樣形成類似腦皮質(zhì)的結(jié)構,甚至具有完整的神經(jīng)細胞電生理活性。有了它,研究人員就可以在體外模擬人腦的早期發(fā)育和疾病。
不過,這種類器官也存在局限。體外生長的類器官缺少在真實有機體中存在的各種連接,這會限制類器官的成熟,讓它們無法與其他控制行為的神經(jīng)環(huán)路整合,因而會影響類器官模擬具有遺傳復雜性和行為特征的神經(jīng)疾病和精神疾病的能力。
10 月12 日,來自美國斯坦福大學的神經(jīng)科學家帕斯卡團隊在國際頂級期刊《Nature》在線發(fā)表了關于大腦類器官的最新研究性文章,表明克服了上述障礙,取得了新的進展。
之前有研究試圖將人腦類器官植入成年大鼠的大腦,但這些細胞在植入后無法完全成熟。所以在本次研究中,研究人員將來自于人的多能干細胞經(jīng)誘導分化為大腦皮質(zhì)類器官后,原位移植于出生3 天~7 天的新生無胸腺大鼠的體感皮層中,構建了人鼠混合大腦類器官——t-hCO。這些幼鼠的免疫系統(tǒng)是具有缺陷的,因此移植的類器官不會遭到免疫排斥,而移植的時間點也非常關鍵,必須在大鼠的大腦神經(jīng)回路沒有完全形成之前完成,這樣能夠給類器官提供發(fā)育的窗口。
研究員在移植2 個月~3 個月后對大鼠腦部進行MRI 成像,觀察t-hCO 的生長狀態(tài)。結(jié)果表明,移植后的t-hCO 在3 個月內(nèi)體積增加了9 倍,移植12 個月后,移植動物存活率為74%。同時未檢測到運動或記憶缺陷、神經(jīng)膠質(zhì)增生等中樞神經(jīng)系統(tǒng)異?,F(xiàn)象。這說明與體外培養(yǎng)相比,大鼠體內(nèi)確實能夠更好地支持人腦類器官發(fā)育成熟。
不僅如此,研究人員還通過實驗證明,來自類器官的神經(jīng)元成功在大鼠大腦中建立了工作機制,和大鼠自身的神經(jīng)回路整合到了一起。當觸碰老鼠的胡須時,其體感皮層中的人類細胞也會作出反應。
研究人員還特殊處理了一些人腦組織,使得單個神經(jīng)元可以被特定頻率的藍光激活。被植入這些人腦組織的大鼠參與了一項新訓練:它們腦中被植入了超薄光纖,當這些光纖發(fā)出藍光時,它們就能在水龍頭里喝到水。結(jié)果顯示,這些大鼠學會了把藍光和喝水聯(lián)系起來。這表明植入的人腦細胞已經(jīng)真正參與了大鼠大腦的工作,可以驅(qū)動大鼠的行為。
這次驚天動地的“人鼠大腦結(jié)合”為大腦神經(jīng)退行性疾病研究和新藥開發(fā)提供了新的希望。在希望之外,這項研究也帶來了倫理擔憂。目前的“人鼠融合腦”遠不會讓老鼠擁有人類般的意識,被試驗大鼠也沒有出現(xiàn)行為異常,但如果技術繼續(xù)發(fā)展又會怎樣呢?