養在培養皿裡的人造大腦,竟然偷偷向外界發出腦波

作者 | 發布日期 2020 年 01 月 05 日 0:00 | 分類 生物科技 , 醫療科技 Telegram share ! follow us in feedly


研究人員 M 瞪大經常熬夜充滿血絲的雙眼,驚喜又惶恐地看著實驗室培養皿中僅豌豆大小的腦細胞團不斷發出電脈衝。

發生這種情況只有兩種可能,一是電極故障了,二是這團腦細胞正向外界發出腦波。

M 不斷告訴自己冷靜,但把裝置都檢查一遍後,他再也冷靜不下來,因為裝置沒有壞,這團不成型的「大腦」確實對外發出腦波。

M 癱坐在地上,因為他不知道,這次發現對人類來說究竟是好事還是壞事。

上面這段並非科幻小說情節。研究員 M 是加州大學聖地牙哥分校的 Alysson Muotri,他的經歷記錄在論文裡,發表於《細胞:幹細胞》(Cell Stem Cell)期刊。

培養一個迷你大腦,只需要三步驟

怎樣培養大腦?只需要三步驟。

第一步將大腦種到土裡,第二步澆水灌溉,第三步等待新大腦長出來。

讀者可能以為在開玩笑,但確實如此。

回顧一下國中生物課本,人體有種細胞叫幹細胞。幹細胞是具強大複製能力的多功能細胞,在一定條件下可分化成不同種類的細胞。

▲ 幹細胞分化模式。

那麼要培養一個細胞出來,其實就跟上面三步驟差不多。幹細胞就相當於「種子」,然後適當的化學物質和生長因子的混合物就相當於「土壤」。只要將幹細胞擺入具上述混合物的培養皿培養,幹細胞就會自我複製,並分化成腦細胞。

隨後,這些人工培養的細胞會自行發育成腦組織,並呈現部分大腦神經元的特質,甚至還能形成腦溝和腦迴的模樣。

上面提到的用培養皿培養的迷你大腦,就是由幹細胞分化而成的腦細胞組成,透過這種方法培養出來的器官,也稱為類器官。

曾經為了研究大腦,有人不惜屠殺孩童

為什麼現在這麼多研究團隊培養微型大腦?

雖是人類最重要的器官,人類對大腦的認識其實還頗匱乏,大腦因此成為科學家極其渴望研究的器官之一。

詹姆斯‧懷勒 1931 年拍攝的《科學怪人》電影,主角法蘭克斯坦透過殘肢拼出一副人造肉體。法蘭克斯坦為了不浪費人造肉體的機能,取來殺人犯的大腦,移植到人造肉體,最終讓這副肉體成了殺人狂。

電影恐怖,但現實中人類對研究大腦的癡迷,甚至比電影、歌德風小說還恐怖。

1970 年代,維也納奧托瓦格納醫院(Otto Wangner Hospital)地下室發現擺滿幾十個大大小小不同的罐子,罐子裡的東西,是孩童大腦。

▲ 1940 年代,維也納 Am Spiegelgrund 診所的病房。(Source:Nature

納粹時期,納粹醫生萊因哈德‧格羅斯在醫院開設「特殊兒童病房」,並關著一批智力有缺陷的孩童。沒過多久,這批孩童就遭集體屠殺,大腦也取出來,供格羅斯解剖研究。

當然,如此變態的手法只是極少數,且這些年隨著捐贈器官越來越為大眾接受,研究用途的捐贈大腦越來越充足了。

▲ 比利時達菲爾大學精神病院(University Psychiatric Hospital Duffel)收藏的大腦。這類大腦在該醫院有 3 千多顆。(Source:達志影像)

不僅如此,現在還有個新方法,讓科學家獲得研究用大腦,就是上述人工培養的微型大腦。

這些微型大腦可幫助研究人員進行病理學、解剖學和藥物學研究,甚至比器捐的大腦還多個優點。

由於早期發育的大腦很難取得,所以這方面的研究一直缺乏材料,如今微型大腦培養出現,恰好補足空白。

對培養微型大腦,杜克大學教授、新興神經技術的生物倫理學專家 Nita Farahany 表示

很高興看到人類正在開發更好的大腦代替品。

人造大腦,向外界發出訊號

說明什麼是微型大腦,以及有什麼用途後,回到一開頭的場景。

Muotri 第一次偵測到微型大腦發出的腦波後,便持續觀察。前期微型大腦發出的腦波還斷斷續續,但 4~6 個月後,腦波的活躍度達到「前所未有」的程度。

▲ 微型大腦的真正長相。(Source:影片截圖)

Muotri 表示,腦波表明微型大腦已建立了幾十億個連結。

更讓人興奮的是,泡在培養皿裡的微型大腦,居然發出和新生兒大腦活動程度相當的腦波。

為了研究微型大腦的腦波和人類大腦有什麼關係,研究小組收集一批 24~38 週早產兒的腦波圖資料,並透過資料訓練一個機器學習演算法。

演算法可透過腦波圖判斷受試者的年齡。然後,Muotri 將微型大腦的腦波資料輸入演算法,結果是與 9 個月早產兒大腦活動程度相同。

是福,還是禍?

這次發現,無論大腦研究還是類器官研究來說,都相當重要。

首先,改變了人們的認知。人們認為,只有完整的大腦才能真正形成複雜的網路,如今事實告訴我們並非如此。

其次,透過研究微型大腦發出的腦波,研究人員可好好研究精神疾病。

大腦發育研究所分子遺傳學家、神經科學家 Jennifer Erwin 就對這次發現給予極大的肯定,她表示,研究人員可從另一個角度重新研究思覺失調症。

▲ 切成 240 片的愛因斯坦大腦。

一些神經系統和精神疾病,患者大腦結構會出現變異。但有另外一些精神類疾病,例如思覺失調、躁鬱症和自閉症等,大腦本身沒有損傷,腦波才是真正失調的地方。利用這次發現,研究人員終於能深入分析這類疾病。

但這次研究,也讓不少人對類器官培養有了新擔憂。杜克大學教授 Nita Farahany 誇完發現後,轉過頭就表示擔憂

我們有必要擔憂,這些類器官是否有可能發展出任何類似人類感覺的能力。

他認為,確定培養皿的微型大腦並非簡單的「一坨」組織後,就有必要考慮,人造大腦是否會有意識。假如意識存在,那麼關於類器官的研究可能就需要改變一下規則了。

最直覺的,就是是否允許科學家將這些類器官移植到人類或動物體內?畢竟現在已有相對簡單的類器官移植到小白鼠身上,且相信大家也不希望「科學怪人」真的出現於現實。

Farahany 認為在未來,科學家可能會找到一種方法,使類器官在實驗室保持全程嬰兒狀態。

Moutri 則表達反對意見,目前研究的微型大腦只有 18 種細胞,而人類成年大腦細胞超過 10 萬種,距離真正的大腦還相距甚遠,現在就開始限制大腦類器官研究,有點為時過早。

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:加州大學聖地牙哥分校