类脑器官新突破日本学者开发出神经活动的可视化工具隔离开关

发布时间：2022-08-10 18:56:11

07-04

大脑类器官是由人工培养的、类似人脑的三维组织培养物。在6月27日刊登于Stem Cell Reports期刊上的一项研究中，来自日本的研究人员报道了由这些类器官所演化出的功能性神经网络。

尽管这些类器官并不能真正地“思考”，但这项研究人员的新工具——可使用类器官检测神经活动——能够为理解人脑功能提供一个新方法。

上图展示了大脑类器官所演化的神经网络。图源：Takahashi et. al / Stem Cell Reports

“因为它们能够模拟大脑的发育，大脑类器官可用作人类大脑的替代品来研究复杂的发育和神经疾病，”文章通讯作者、京都大学教授Jun Takahashi说道。

然而，这些研究都是富于挑战性的，因为目前的大脑类器官缺乏理想的支持结构，比如血管和周围组织，Takahashi说道。由于研究人员评估类器官神经活动的能力有限，全面评估神经元网络的功能同样具有难度。

“在我们的研究中，我们创造了一个全新的功能性分析工具用以评估所检测区域中网络活动的全面动态变化，能够反映出超过1000个神经元的活动，”第一兼通讯作者Hideya Sakaguchi说道，他是京都大学的一名博士后（现于Salk研究所）。“本项研究中令人兴奋的是我们能够检测出钙离子活动的动态变化，并能够可视化全面的细胞活动。”

为了研发类器官，Takahashi, Sakaguchi以及他们的团队创造了一种有潜力分化为不同身体组织的多能干细胞球。然后，他们将这些细胞置于模仿大脑发育所需环境的培养基中。使用这些类器官，该团队成功地将网络中的同步、非同步活动以及各神经元间的连接进行了可视化。同步神经活动则是包括记忆在内的多种脑功能的基础。

“我们相信我们的工作为广泛评估人类细胞衍生的神经活动引入了一种可能性，” Sakaguchi说，该方法能够帮助研究人员理解大脑通过特定细胞集群的活动编码信息的过程，以及一些精神疾病的基本机制。

大脑类器官为研究人脑提供了一种新方法，但此前人们就已提出关于大脑类器官中神经功能的伦理问题。

“由于大脑类器官模仿了发育过程，一个担忧是它们在未来也会有像意识这样的心理活动，” Sakaguchi说，“有人提到了由哲学家希拉里·普特南提出的著名的思想实验——‘缸中之脑’，该实验说一个放置在盛着生命维持溶液的缸里并与计算机相连的大脑可能会拥有像人类一样的意识。”

不过，Takahashi与Sakaguchi相信大脑类器官是不可能发展出意识的，因为它们缺乏来自周围环境的输入信息。

“意识需要主观经验，没有感知组织的大脑类器官并不会有感知输入和动作输出。” Sakaguchi说道，“不过，如果具有输入和输出系统的大脑类器官发展出需要道德考虑的意识，那么关于这些大脑类器官的基础和应用研究都将成为巨大的伦理挑战。”

未来，应用类器官研究可能将探索三个主要领域——药物发现，神经精神疾病的建模和再生医学，Takahashi说道。

“通过取代传统动物模型，大脑类器官可以给药理公司带来巨大进步，也可用于模拟无法治疗的神经疾病，”他说道，“使用我们的方法，分析大脑功能的神经元活动以进一步探索这些领域将成为可能。”

关于类器官

类器官属于三维（3D）细胞培养物，包含其代表器官的一些关键特性。此类体外培养系统包括一个自我更新干细胞群，可分化为多个器官器官特异性的细胞类型，与对应的器官拥有类似的空间组织并能够重现对应器官的部分功能，从而提供一个高度生理相关系统。