人类造出的大脑,会自己发出脑电波了?
2020-01-31 19:52

人类造出的大脑,会自己发出脑电波了?

本文来自公众号:神经现实(ID:neureality),作者:Thiago Arzua,现在威斯康辛医学院攻读神经科学博士学位,翻译:狼顾,校对:张蒙,蜂蜜:The Artworks Illustration


“迷你大脑”被用来模拟和研究遗传疾病、主要精神疾病、阿兹海默症等神经退行性疾病,甚至人类演化。


我们正处于类器官的潮流中,这些微型器官模型正快速取得令人兴奋的新进展,而类脑器官是其中最有趣的一个。类脑器官于2013年首次被提出,这些“迷你大脑”被用来模拟和研究遗传疾病、主要精神疾病、阿兹海默症等神经退行性疾病,甚至人类演化。


迷你大脑仅有豌豆大小,却能够重现关键的脑功能。它们是近期的研究热点,科学家认为它们能够最终用于模拟目前不适合在啮齿类或其他动物身上研究的神经疾病。


神经元(橙色)与纳米线阵列接触的彩色扫描电镜图像

图片来源:Thiago Arzua, Massive Science


过去的研究曾成功发现了与这些疾病有关的基因和蛋白质改变,然而,研究患病大脑的功能改变,即患者的神经元如何工作,又如何与其他细胞相互作用,这仍然是一个挑战。神经元通过传输电信号互相交流,所以要想全面了解它们如何工作,就应研究电学层面的细胞运作方式。


目前,科学家们已经知道迷你大脑可以产生自发动作电位,但是简单的动作电位和复杂的思维活动之间仍横贯着一道鸿沟。


脑中以特定频率发生的动作电位被称为神经振荡,或称脑电波。不同频率的脑电波与不同的精神状态有关,例如,深度睡眠时的脑电波就以每秒钟1次~4次的频率振荡。脑电波也与不同疾病有关联,所以,类脑器官要想成为科学家需要的疾病模型,就必须能够产生脑电波或其他电活动。


阿兹海默症和精神分裂症等疾病很复杂,且大多数情况下,在对神经元造成明显损伤之前,脑中的电活动就会发生更微妙的变化。


现在,一篇最近发表的文章发现迷你大脑确实可以产生脑电波。由克莱伯·特鲁希略(Cleber Trujillo)领导,包括艾里森·穆奥特里(Alysson Muotri)在内的研究团队记录到了类脑器官在10个月内产生的电活动。其他的类脑器官研究一般只关注前几个月中的类器官发育,因为迷你大脑仅两个月就长出了清晰的轮廓结构并停止生长。而这项新研究表明,类脑器官的培育时间越久,它们的细胞组成就越复杂,神经元的电活动也越复杂。


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特鲁希略及其同事发现在第4个月时,类器官出现了类似于我们人脑睡眠时产生的缓慢脑电波。甚至当它们形成一定结构并停止长大后,细胞类型的组成仍在变化,且细胞多样性随时间不断增长。这些细胞改变很有可能与脑电波模式的改变相关。


为检验这些成熟的类脑器官能在多大程度上模拟人脑,研究者将类脑器官产生的电波与早产儿的脑电图(EGG)进行了对比。他们使用早产儿的脑波数据训练机器学习算法,再将其应用到类脑器官上。他们发现某些特定的大脑功能,例如自发活动转变(形成更复杂神经连接必不可少的大脑活动爆发),在早产儿大脑中和在类脑器官中非常相似,且培养越久的类脑组织越接近。换句话说,在成长10个月后,类脑器官开始出现与胎儿大脑相近的电活动。


这是我们首次拥有了不仅能够在结构和细胞组成上,还能在某些大脑功能上模拟胎儿大脑的类脑器官。这带来了复杂的伦理问题,也质疑了我们能否在类脑器官研究上再向前走。在不久的将来,我们也许能在实验室中创造出意识,一些哲学家和科学家对此表示担忧。


关于这些科学进步的伦理和道德讨论应当从现在开始。我们生活在一个技术发展比围绕它们的伦理讨论快得多的时代,而我们必须防止对这些技术不负责任的使用。


vecteezy


微扰复杂性指数(Perturbational Complexity Index,简称PCI)是一项可以成为在类器官研究中防止科学家跨过道德和伦理红线的工具。PCI尚未在人类中得到彻底验证,但已被提议作为一种测试昏迷和无意识患者大脑活动的方法。通过使用一些相对无害的方法,如经颅磁刺激(一种用磁线圈刺激脑的方法),医生和科学家可以暂时中断大脑的正常活动,并测量其恢复的速度。这可以提供一些关于病人或类脑器官意识程度的线索。


谢天谢地,缸中之脑的荒诞故事只存在于科幻小说里。类器官研究的进展是令人兴奋的,相比其他针对疾病机制的研究,它打开了治疗阿兹海默症、帕金森症和精神分裂症等我们仍感棘手的人类神经疾病的大门。


类器官领域有些特殊,需要不同专家的投入,以确保我们释放这些微型器官的全部潜力时合乎伦理规范且认真负责,以期帮助全世界的患者。


本文来自公众号:神经现实(ID:neureality),作者:Thiago Arzua

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