連大腦都能在器皿中培養(yǎng)了

美國科學家稱，他們已經(jīng)在器皿中培育出近乎完整的大腦。這一成果對于了解人類大腦功能、治療各種精神疾病具有非凡的意義，但也具有潛在的危險。

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美國俄亥俄州立大學的生物化學和藥理學教授阿南德（Rene Anand）近日在佛羅里達舉辦的軍事衛(wèi)生系統(tǒng)研究研討會上宣稱，他們已經(jīng)在培養(yǎng)皿中培育出近乎完整的大腦。雖然這個大腦只有鉛筆的橡皮擦頭大小，卻包括了人類胎兒大腦中存在的99%的基因，相當于5周胎兒大腦的成熟度。

最重要的類器官

阿南德等人培育的大腦其實是類器官（organoids）的一種。類器官的出現(xiàn)是干細胞研究的直接成果之一，由干細胞培育出來的類器官是一種微型器官，或稱迷你器官。這類器官具有某些功能，但無完整的人類器官功能，而且在形態(tài)和體積上比真實的器官小得多，因而統(tǒng)稱為類器官。

迄今，研究人員已經(jīng)利用人的胚胎干細胞和其他干細胞培育出多種類器官。如果以器官的功能和作用來衡量，大腦無疑是最重要的類器官，因為它是生物的指揮和行為中心。

根據(jù)阿南德等人的介紹，培育類大腦的過程似乎比較輕松。一開始，研究人員把成人皮膚細胞轉(zhuǎn)化成誘導的多能干細胞（IPS），這種細胞可以重編程為任何人體組織。由于人類大腦的復(fù)雜性，阿南德等人一直不能培育出大腦組織。直到他們改進了技術(shù)，把能夠發(fā)育成神經(jīng)組織的細胞區(qū)分和提取出來，放在一個模擬子宮環(huán)境的裝置中進行培育。

經(jīng)過12周培養(yǎng)，長成了相當于5周大的胎兒的完整大腦。通過高分辨成像觀察這個培育出的類大腦可以發(fā)現(xiàn)，它具有功能神經(jīng)元、軸突、樹突、星形膠質(zhì)細胞、少突膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞，同時激活了大腦中具有典型興奮和抑制功能的神經(jīng)細胞的標記。此外，這個類大腦還連接了脊髓，有信號傳導甚至視網(wǎng)膜組織。

避開倫理爭議

根據(jù)形態(tài)標準，這個類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，因此阿南德認為，這是一顆完整的大腦。過去，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。

當然，這次的類大腦也并非完整意義的大腦，因為發(fā)育成5周大的胎兒大腦需要培育15周時間，但現(xiàn)在只培育了12周，而且只具有人類胎兒大腦中99%的基因。不過，如果讓這個類大腦繼續(xù)發(fā)育到16-20周，可能會發(fā)育和補齊缺失的1%基因。

繼續(xù)培育更成熟的大腦需要血液供應(yīng)，阿南德承認他們的研究團隊尚無這種能力。最好的辦法是，制造一個人造心臟，以幫助這個大腦進一步發(fā)育，如此就有可能讓這個類大腦發(fā)育更成熟，成為擁有完整的人類大腦基因的類大腦。

當然，這只是估計，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未知數(shù)，但是，其意義也非常巨大。

這個類大腦的最大的意義是避開了使用胚胎干細胞的局限和爭論。具有全能分化的胚胎干細胞是研究人員所心儀的生物醫(yī)學原材料，因為這可以分化為各種組織和器官，具有貨真價實的質(zhì)量。但是，胚胎干細胞最大的限制是倫理爭議。當今世界上無論哪個國家的研究人員都不敢越雷池一步，即使用人的胚胎干細胞只能研究限于14天的胚胎，此后就要銷毀胚胎，這是各個國家人類胚胎干細胞研究倫理的基本準則。

所以，阿南德等人的研究采用的是成人的皮膚細胞，并生成誘導的多能干細胞，回避了人類胚胎干細胞的倫理爭議，這實際上是一個非常巧妙的研究途徑和方式。

精神病患者的福音

相當于5周大胎兒的類大腦有什么作用？阿南德提供的答案是，這個大腦模型能進行藥物試驗。在藥物上市前必須進行臨床人體一至三期試驗，在進行人體試驗之前，可以用這種類大腦檢測研發(fā)的新藥，其次可以利用類大腦對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病如阿爾茨海默病（老年性癡呆）、帕金森病等進行研究，包括這些病的大腦生物學原因、病理和環(huán)境對大腦影響的研究。

在阿南德等人培育出類大腦之前，能夠利用的技術(shù)是用干細胞培育出神經(jīng)細胞來治療帕金森病或阿爾茨海默病，但是迄今也只是到達動物試驗階段。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，這類神經(jīng)細胞不能制造傳遞神經(jīng)信號的物質(zhì)多巴胺。因此用干細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，日本京都大學誘導多能干細胞（iPS）研究所的高橋淳研究小組在美國《干細胞》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)取出一部分細胞進行培養(yǎng)，制作成胚胎干細胞，再讓胚胎干細胞生長42天，使其生長為神經(jīng)細胞，然后再將這些細胞制作成含有35%的能夠分泌多巴胺的神經(jīng)細胞團塊。

此后，把這些細胞團塊分別移植到4只患有帕金森病的猴子腦內(nèi)。6個月之后，猴子的手足震顫都消失了，從原先抱著籠子不能活動的癱瘓狀態(tài)變?yōu)槟軌蛟诨\子中來回走動。檢查發(fā)現(xiàn)，猴子的腦中長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細胞培育出多巴胺神經(jīng)元，對同一只猴子進行自體移植以及對其他猴子進行異體移植試驗，3個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)，一部分移植的細胞因排異反應(yīng)而死亡。這說明用自體細胞誘導生成干細胞，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，無論是用誘導多能干細胞生成的多巴胺神經(jīng)元還是胚胎干細胞生成的多巴胺神經(jīng)元進行移值，都可以有效治療靈長類動物的帕金森病，下一步需要進行人的試驗才能確定這種神經(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個月大胎兒的類大腦，比此前的干細胞移植治療帕金森病具有更大的優(yōu)勢。因為這種類大腦的細胞已經(jīng)大致形成雛形，有成熟的分門別類的神經(jīng)細胞。因此可以直接從中提取多巴胺能神經(jīng)元來進行移植試驗，看看治療帕金森病甚至阿爾茨海默病的效果如何。這種方式就比干細胞培養(yǎng)和移植大大地前進一步。

類大腦不只是供移植治療疾病。對于各種神經(jīng)精神疾病的研究，類大腦能夠提供生物實物模型。例如，對于抑郁癥、精神分裂癥、自閉癥等至今束手無策的疾病，不僅可以從解剖部位來定向定位研究，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難得的機會和方式，尤其是對于2013年發(fā)起的人腦計劃具有重要幫助，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和發(fā)育的，對于上述任務(wù)以及其他大腦任務(wù)的完成就提供了實時和真實的模型。例如，海馬回是何時長成的，是否對記憶和學習有重要作用，以及如何起作用，都可以在觀察大腦中的海馬回生長和形成中獲得線索甚至答案。

潛在的危險？

然而類大腦的最大作用是，它能否作為一個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器人要強大得多，但也危險得多。用誘導多能的干細胞培育大腦雖然繞過了胚胎干細胞的倫理限制，卻具有更大的潛在危險。

阿南德稱，培育出的這個大腦沒有意識，也不會思考，相關(guān)研究不存在任何倫理問題。而且，基于大腦功能的形成是要與現(xiàn)實形成反饋和神經(jīng)回路，阿南德也認為，“我們不向這個大腦輸入任何感官刺激。這個大腦不以任何方式進行思考”。即便如此，未來利用這種類大腦還是有太多的想象和實施的空間。

如果這個類大腦培育的時間更長，讓其發(fā)育成擁有人類大腦所有基因的完整大腦，而且在培育這種大腦的同時制備相應(yīng)的各種人體器官甚至是多種材料的機器人軀體，讓這個類大腦能指揮四肢和機器人的所有行動，同時在類大腦發(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的思維與智力，這就可能超越目前為止所有的人工智能對人類的威脅。