大脑类器官首次自发性产生类似人类脑波
http://bit.ly/2kdl3n0
加州大学圣地亚哥分校 Alysson Muotri 研究团队发现，当扁豆大小的脑神经细胞在实验室培养皿中生长时，它们开始发出有节奏的电信号，神经元或已建立数十亿个连接。在《Nature》发表的一项研究，研究人员发现，从人类干细胞中培育(coaxed human stem cells)的大脑类器官(organoids)产生的脑电波，这是第一次自发地产生类似人类的脑电波。随着发育的进展变得更加复杂，并在微型大脑(mini-brain)中形成功能神经回路，而且这些脑电波与人类婴儿发育大脑中的某些特征相同。
这可以帮助科学家研究早期的大脑发育，但该技术也引发了关于创造有意识的微型器官(miniature organs)的伦理问题，尽管大小只有人类大脑的一百万分之一。
脑电图（EEG）活动速率高于其他大脑类器官
在这项研究中，大脑类器官(organoids)以3D培养生长时，可以发展在大脑中看到的复杂结构。Muotri和他的同事设计了一个更好的方法来培养干细胞，包括优化培养基配方。这些调整使得它们的类器官比以前的模型更加成熟。研究人员诱导干细胞形成构成大脑外层的一些神经元，在10个月的时间里培养了数百种类器官。这些皮质类器官在实验室的培养皿中生长，培养皿中装有沿底部排列的电极阵列，让科学家能够在类器官发育时监测其发电活动。
Muotri团队不断记录小脑表面的电学模式或脑电图（EEG）活动，到六个月时，类器官的触击速率高于之前创造的其他大脑类器官，这让团队感到惊讶。在成熟的大脑中，神经元形成同步网络，以可预测的节奏发射。但是，类器官显示出不规则的脑电图模式，类似于在发育中的大脑中看到的同步电活动的混乱爆发。当研究人员将这些节律与早产儿的脑电图进行比较时，他们发现类器官的模式接近受孕后25-39周出生的婴儿。
9个月大时，这些类器官表现出类似新生儿大脑活动的脑电活动。为了研究类器官脑电波和人脑之间可能存在的相似之处，研究小组通过收集24 - 38周早产儿的脑电图数据，训练了一个机器学习算法，根据脑电图检测到的神经活动来确定受试者的年龄。当研究小组向计算机输入来自大脑类器官的信息时，它无法将多电极阵列收集到的类器官脑电图数据区分开来。
Muotri说，类器官并不是真正的人类大脑。它们不包含在皮质中发现的所有细胞类型，并且它们不与其他大脑区域连接。但是，他的小组现正努力于长时间进行类器官培育，看看它们是否会继续成熟。研究人员还计划通过将这些结构连接到模拟大脑或身体其他部分的类器官来探索这些结构是否像正常皮层一样起作用。
如何证明类器官的脑波类似早产儿的脑波，将是一件困难的事。
费城宾夕法尼亚大学的发育神经科学家Hongjun Song说，虽然类器官研究工作还在初期阶段，但与早产儿脑电图模式的相似性，说明了类器官最终可用于研究脑发育障碍，如癫痫或自闭症。
但也有不同看法。赫尔辛基大学的神经生理学家Sampsa Vanhatalo说，仅仅因为类器官的脑电波看起来像是早产儿的脑，并不意味着他们正在做同样的事情。他开发了婴儿脑电图数据库，Muotri拿它来比较他的类器官测量数据。
加利福尼亚大学旧金山分校的神经学家Arnold Kriegstein表示，如何证明它们是相同的，将是一件困难的事。他解释说，与在体内发育的大脑不同，这些类器官缺乏与大脑其他区域的连接，也缺少抑制神经元，而抑制神经元是人脑脑电图活动的主要基础。他补充说，类器官可能缺少能够驱动脑部脑电图模式的关键组件。
类器官有意识存在吗？
然而，华盛顿州西雅图艾伦脑科学研究所Christof Koch说，很难知道器官何时是有意识的，因为研究人员甚至不同意如何测量成人的意识，或婴儿的意识出现。
展望未来，该团队的目标是进一步改善类器官，并利用它们来了解与神经网络相关的疾病，如自闭症、癫痫和精神分裂症。Muotri和他的同事正在探索增加复杂性的方法，可能是通过增加更多类型的细胞或血液供应。科学家们正在刺激这些类器官，传递类似于神经元可能从其他大脑区域或外部世界接收到的信号。
总结，Muotri表示，目前仍在非常原始阶段的研究，如果有证据证明类器官变得已经自我意识时，基于伦理道德考量，他会考虑停止该项目研究。