剑桥大学实验室的培养皿里，类脑器官使离体的肌肉抽动了！

在剑桥大学实验室的培养皿里，漂浮着一块单独分离出来的肌肉正在收缩。一般情况下这不是新闻。但是在这一次的情况不同，手术切除的肌肉是由完全生长在实验室的一片脑组织控制的。

听起来很吓人，但这个系统并不代表缸中的意识。相反，这是一种叫做脑类器官的技术向前迈出的一大步——培养的脑组织与发育中的人类胎儿的脑组织非常相似。

科学家们长期以来一直在努力模拟胎儿在子宫内发育时复杂的过程。新生脑细胞在遗传和化学因素的指导下，自动迁移到最终目的地，形成独特的功能，并在此过程中彼此之间建立联系。

这是一个极其精细复杂的过程，且没有容错的余地。定位、迁移或脑回路的形成的任何错误都可能引发严重的发育障碍，如自闭症、精神分裂症和癫痫等。

图片来源：Madeline Lancaster/MRC-LMB

本月，剑桥大学的 Madeleine Lancaster 博士领导的一个团队对人类大脑发育的第一步进行了破解，且无需依赖在伦理上有争议的流产胎儿。他们的系统被称为 ALI-CO，由长期存活的、实验室培养的脑组织切片组成，这些切片漂浮在一个温暖的、充满营养液的表面，这些营养液可以让切片成熟为"微型脑"。

当迷你脑与分离自胚胎小鼠的脊髓及其支持肌肉一起培养时，它就会自动伸出突触进行连接。这些人-鼠嵌合突触不仅用于解剖研究，当刺激时，类似高速公路的神经连接束会反复产生"电爆发"，使肌肉变成像僵尸跳舞一样动起来。

诱发肌肉收缩的录像。大脑类器官定期受到刺激，向脊髓发送信号，将信息传递给肌肉以使其收缩。

如果你认为"科学家们只是像科学怪人弗兰肯斯坦一样"，那这个就不是该研究重点了。Lancaster 说："很明显，我们不仅仅是想创造一些有趣的东西。" 作者写道，该系统可以推进完整回路上神经连通性的研究，包括输入和输出。最终可能会启发我们，神经回路和信息处理是如何在我们发育中的大脑中逐渐出现的，这个过程有时是如何出错的，以及如何修复它——远在我们出生之前。

迷你大脑革命

ALI-CO 来自于一系列完全奇异的实验室创造，称为脑类器官。

早在2014年，Lancaster 就在实验室里开发了一种培养系统，可以让她从人体皮肤样本中培养出活的脑组织。这些奇形怪状的细胞块，在旋转的生物反应器中生长，最终发展成苍白的豌豆大小的块状，与9个星期大的胎儿的大脑非常相似。在显微镜下，它们的内部分离成显著的脑区，如海马体(记忆中枢)和皮层的层饼结构。

左图：用于脑类器官生长的生物反应器系统。右图：一个特写镜头显示生物反应器内的浮动类器官。图片来源：IMBA / Magdalena Renner

HumanNews：Miniature Human Brains Grow in a Lab

视频来源：https://youtu.be/Am-C82H7fNw

脑类器官成为当下研究热点。因为它们的起源是人类，并且呈现胎儿正常发育的轨迹，所以是研究我们的大脑在早期发育过程中如何连接的有价值的模型。更妙的是，与实际的大脑不同，科学家们可以修改他们的基因，使迷你大脑对研究大脑紊乱具有极高的价值。

迄今为止，微型大脑已经帮助研究寨卡病毒引发的小头畸形2、神经发育障碍和致命的脑癌等疾病。他们甚至可能解答人类智力的终极奥秘：为什么我们的大脑特别特殊？

然而，尽管有光明的未来，微型大脑却有一颗“黑暗的心”。它们长得越大，长得越长，氧气和营养物质就越难渗入它们的内核。在不到一年的时间里，如果没有有效的血液供应，这些类器官就会从内部开始腐烂。有一个方法可能可以解决这个问题——将它们移植到小鼠的大脑中，让动物的血液供应给人造脑组织。但是也有不好的一面，这一过程使得追踪微型大脑的发育变得困难到不可能，从而破坏了它们最初的目的。

迷你大脑，遇见 ALI-CO

为了克服这些限制，Lancaster 的团队采取了一个极端的方法：把它们切碎。

这一举措并非没有先例。此前，科学家们已将胎儿脑组织切片，并将其保存在营养液中，以供进一步研究。

参照之前的方法，Lancaster 的团队将成熟的小型大脑——大约60天大——切成1/100英寸厚的小块。让块状脑进一步生长直到脑类器官再建立起组织，但在腐烂开始之前，这是更好地保存它们内部结构的关键。

然后将切片置于充满氧气泡泡和温暖的营养液的培养皿中。为了确保最佳的发育，研究小组让这些薄片漂浮在液体的表面，就像树叶漂浮在湖面上一样。研究小组解释说，将切片保持在空气-液体界面（ALI），可以让细胞在体内健康地发育长达一年之久，比之前将脑瘤完全培养到体外的尝试要长得多。

鲜活的脑块

一些快速的测试证实了实验室培养的大脑是有完全有活力的。尽管被切成小块了，但切片中的神经元进一步成熟为自发形成连接的信息处理单元——有的连接在切片中，有的向外延伸到空隙中。

与同龄的全脑相比，这些脑块是比较初级的，在一岁的时候，它们的神经元和其他脑细胞看起来极其健康。ALI-CO 中死细胞也较少，这对切片的总体健康至关重要。

活神经元的表现和预期的一样：它们自发地产生电流，并且在被团队人工刺激时，它们会以类似像他们的天然大脑那样的方式被激发。

ALI-CO 也因其多样性而备受关注。利用一种非常流行的叫做RNA测序的技术，研究小组对 ALI-CO 中的细胞进行了分析，发现几乎所有细胞，常常在人脑皮质中观察到的细胞——每个细胞都依类型以特定的模式与其他细胞连接。

由于它们在培养皿中自由流动的特点，研究小组能够在显微镜下追踪 ALI-CO 内神经分支的发育。类似于发育中的大脑，藤状结构成长为连接通道——信息高速公路，对大脑区域的快速数据传输至关重要。

在最后的功能测试中，研究小组将类脑与小鼠脊髓一起培养。从小鼠胚胎解剖获得的组织，有一些与脊髓相连的肌肉，以实现运动和支持功能。在2-3周内，类脑向脊髓伸出卷须并建立连接。Lancaster 说："我们喜欢把他们看作是行动中的迷你脑袋。"

在显微镜下观察，分离的肌肉开始收缩。尽管培养的肌肉组织有时会自动收缩，但这些收缩更强、更协调。在漂浮的小脑块上轻敲几下，就足以使肌肉产生相应的收缩——电流越强，收缩就越厉害。

实验室培养的人-小鼠神经回路的行为与正常的人肌肉收缩惊人地相似：尽管指令是由人工培养的人脑块发出的，但小鼠肌肉以正确的强度按时移动。

展望未来，研究小组希望 ALI-CO 能进一步告诉我们大脑是如何发育的。"这种方法很可能是一个有用的新工具。"他们说，因为它设置起来有多么容易，模仿人脑的连通性有多么好——不管是正常起作用时，还是因错误不工作。

作者总结说："我们希望，通过更真实地模拟人脑发育过程中的特定特征，有一天我们将更接近于理解自闭症和精神分裂症等疾病"。

参考文献：

【1】Giandomenico S L, Mierau S B, Gibbons G M, et al. Cerebral organoids at the air-liquid interface generate diverse nerve tracts with functional output[J]. BioRxiv, 2018: 353151.

【2】Garcez, P. P , Loiola, et al. Zika virus impairs growth in human neurospheres and brain organoids[J]. Science, 2016, 352(6287):816-818.

【3】B.H. Gähwiler, Capogna M , Debanne D , et al. Organotypic slice cultures: a technique has come of age[J]. Trends in Neurosciences, 1997, 20(10):471-477.

作者信息

 

作者：Shelly Fan

编译：ben（brainnews创作团队成员）

校审/排版：Simon （brainnews编辑部）

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