實驗室“迷你大腦”中發現類似人類的腦電波

摘要：研究團隊訓練了一種機器學習算法，來識別早產兒腦電圖的突出特徵，並用其評估人類大腦與腦類器官的相似性。在近日發表在《細胞·幹細胞》（Cell Stem Cell）雜誌上的論文中，研究人員寫道，他們觀察到的腦電波模式類似於發育中的人類嬰兒大腦。

新浪科技訊北京時間10月11日消息，科學家以非侵入性的方式研究人類大腦的方法之一，就是在實驗室裏培育“迷你大腦”。這些微型大腦其實是大腦細胞的集羣，其體積約爲豌豆大小。近日，一個研究團隊報告稱，他們從這些腦類器官（brain organoid）中觀察到了類似人類的腦電波。這是一個相當令人驚奇的進展。

此前對微型大腦的研究已經展示了運動和神經束的發育過程，但這項新研究則是首次記錄了似人類的神經活動。領導該研究的是加州大學聖迭戈分校的生物學家艾里森·穆特里（Alysson Muotri）。在近日發表在《細胞·幹細胞》（Cell Stem Cell）雜誌上的論文中，研究人員寫道，他們觀察到的腦電波模式類似於發育中的人類嬰兒大腦。穆特里表示，微型大腦是一個先進的體外模型，在這一發現的基礎上，科學家可以利用微型大腦來研究大腦發育、對疾病建模，以及瞭解大腦的演化。

“我們擅長研究癌症，也擅長研究心臟，”穆特里說，“但大腦的研究已經落後了。”

在學術上，這些微型大腦被稱爲類器官（organoid）。爲了培育它們，研究人員將多功能人類幹細胞引入一個富含營養的培養皿中，這個培養皿旨在模擬我們大腦發育的環境。由於幹細胞的多能性（即它們有可能發育成不同類型的細胞），通過刺激，它們可以形成一種三維結構，看上去類似於正在發育的人腦，儘管體積要小得多。在大約兩個月的培育過程中，研究小組開始注意到微型大腦的神經網絡中出現了神經活動的波峯，這是以往沒有觀察到的。

研究人員之一、博士生理查德·高（Richard Gao）表示，在開始觀察這些間歇性的電活動時，他們的初衷並不是尋找微型大腦和人類嬰兒大腦之間的相似性。

“我們發現這些類器官（電活動）振盪的一個顯著特徵是，它們是爆發式的：這個網絡在大部分時間是不活躍的，大約每隔10到20秒，就會自發地發生一輪活動，”理查德·高說，“這讓人想起早產兒的一個特徵，即腦電活動不連續。在這種情況下，嬰兒的腦電圖（EEG）在大部分時間都非常不活躍，不時出現強烈的振盪瞬變……我們當時非常幸運，找到了一個數據集，裏面報告了早產兒腦電圖的這些特徵。”

研究團隊訓練了一種機器學習算法，來識別早產兒腦電圖的突出特徵，並用其評估人類大腦與腦類器官的相似性。穆特里指出，該算法能夠預測在培養過程中類器官發育了多少周，而在發育到25至40周之間時，該算法就不能再區分腦類器官和嬰兒的腦電圖。

但是，穆特里澄清道，這兩者之間的比較並不一定是一對一的。早產兒的腦電圖具有某些特徵和侷限性，包括髮育中的人類顱骨厚度對讀數的影響，因此與實驗室培養的腦類器官有所不同。穆特里表示，出於研究的目的，他們排除了這些不可比較的變量。

然而，爲了真正鞏固這些結果，研究人員表示，嬰兒腦電圖和類器官之間的差異需要得到調和。

加州大學舊金山分校的神經學家阿諾德說：“我認爲，這種類器官活動與早產兒腦電圖有多麼相似是不大可能的。”他說：“類器官中自發活動的發育相當有趣，研究人員已經令人信服地表明，這依賴於神經元的活動。但是，類器官與實際發育的大腦皮層非常不同，以至於即使現象學上是相似的，我們仍然需要更好的證據來證明潛在的機制是相同的……這就像對蘋果和桔子進行比較：雖然它們都是水果，但其實是不一樣的。”

儘管如此，克里斯坦仍表示這項研究是回答這些問題的重要一步。

穆特里指出，該實驗和其他類似實驗提出的另一個問題是，微型大腦是否可以被認爲具有意識，以及未來可能會出現什麼樣的倫理困境。克里格斯坦認爲，這些腦類器官還沒有發育到可以被認爲具有意識的程度。

對此穆特里的看法是，他還不能做出肯定的回答。“我最初的回答是，‘我不這麼認爲’，但事實是，無論如何我們都沒有證據，”他說，“我們還沒有測試的方法。”

爲了解決這個問題，穆特里計劃於今年10月在加州大學聖迭戈分校與一些科學家、哲學家和倫理學家舉行會議，討論此類技術在未來的倫理前景。

“我總是傾向於說，就像其他任何技術，比如接受輸血或器官移植，甚至是普通汽車，”穆特里說，“這些技術的應用都有好的方面，也有壞的方面，但作爲人類社會而言，我們要同時看到這兩方面……我認爲腦類器官也會朝着同樣的方向發展。”（任天）