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2019-12-13
科学家们用这种方法来理解人类大脑的发育过程,比如如果把大脑器官移植到老鼠体内

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4月24日消息,据科学美国人报道,美国索尔金研究所的科学家日前发布报告,宣称首次将人类大脑的类器官成功移植到另一个物种的大脑中,而且宿主的大脑为其提供了足够的血液和营养,以维持它们存活和发育数月时间。

据外媒报道,多年来,干细胞研究一直是一个饱受争议的话题,但利用干细胞培育的人类大脑组织开创性技术将对医学伦理发起挑战。近日,两个科研小组准备将人类“迷你大脑”植入到啮齿动物。研究论文指出,这种人脑组织不仅能够延长存活时间而且还开始尝试着跟宿主结合。

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这种迷你大脑也就是说科学家们常说的类器官,能在实验条件下形成然后成功被植入到活体老鼠体内。当被植入之后,这个脑组织开始跟老鼠的循环系统融合,进而使其获得更长的存货时间。接下来--也就是最让人感到害怕的地方--人脑组织设法让自己跟宿主的神经系统连接,它发出了微弱的“电路”,企图将神经信号传到老鼠大脑的多个区域。

188金宝搏备用网址 ,在科学家看来,这些有人类大脑组织的老鼠在行为方式上与它们同类的一样。

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每个接受试验的小鼠的大脑皮层都被植入了人类的“迷你大脑”,并用透明的玻璃盖子代替了它们的部分头骨。科学家们用这种方法来理解人类大脑的发育过程,并测试这些类器官将来是否会成为大脑皮层修复工具,以取代大脑中受伤或发育不正常的区域。

对此,研究者之一Josephine Johnston提出,这项研究给了他们一些非常有趣的视角,比如如果把大脑器官移植到老鼠体内,那么是否会对它们的智力、意识水平甚至物种身份产生影响。

纽约州立大学布法罗分校神经学家迈克尔·斯塔乔维亚克曾创造人类大脑的类器官来研究精神分裂症,他说这是一个“重要的技术进步”,并且是“在再生医学中使用类器官的重要开端”。

2017年11月份,当索尔金研究所的研究人员在神经科学学会年会上简要描述了他们的实验时,生物伦理学家们提出了一个问题,即人类大脑中类器官会对老鼠的智力、意识甚至是老鼠的身份产生怎样的影响。发表在《自然生物技术》杂志上的最新论文详细描述了类器官如何成功融入老鼠大脑的过程,并解决了其中一个问题:至少在科学家们的实验中,拥有人类大脑类器官的老鼠似乎和其他老鼠没有什么不同,也没有比后者更聪明。

自从2013年第一个人类大脑类器官通过干细胞被培育出来以后,科学家们已经让它们形成了像胎儿大脑一样的结构,用来产生几十种不同种类的脑细胞,并发育成像患Timothy综合症等神经系统疾病等异常的组织。研究人员希望,在揭示人类大脑如何发育的过程中,类器官能比实验室动物或培养的细胞更好。同时在正常情况下和出错时,能识别潜在的治疗或基因组编辑目标。

这项研究需要采集人体干细胞,然后使其分化为脑细胞,并使其生长为几毫米的实体,以模拟真实器官的结构、细胞数量甚至是电活动。但是,人类大脑类器官的逼真程度是有限的:当它们的直径超过几毫米时,氧气和营养物质就无法进入它们最深处的细胞。

这项研究的负责人弗雷德·盖奇说:“在我们的手中,类器官在五周内停止生长。从第十周开始,我们甚至看到许多边缘部分的细胞也开始死亡,随着时间的推移,这种变化越来越明显。显然,这是长期研究的一个明显障碍。”

当我们的目标需要对三个月以上的大脑发育过程进行更长时间的研究时,当前的大脑器官就会开始萎缩。而在老鼠大脑中植入人类的大脑类器官,给它们生长和发育所需要的一切,可以帮助解决当前困境。

索尔金研究所将在实验室培养皿中生长了31到50天的人脑组织类器官移植到小鼠大脑中前,他们已经从老鼠大脑中取出一小块组织以便腾出空间。由于人类细胞通过基因工程表达出绿色荧光蛋白,这些微小斑点可通过透明玻璃显示在明亮的石灰中。

大约80%的植入取得成功。在2到12周内,这些类器官就会产生额外的神经元,包括在人类大脑皮层特定区域内发现的神经元、神经胶质细胞以及神经干细胞。到了14周时,几乎所有的类器官都形成了丰富的血管网,可输送养分和氧气,支持类器官存活233天,它们的结构和细胞成熟度与新生儿差不多。

这些被植入的器官也在传递轴突(即将大脑信号从一个神经元传送到另一个神经元的生物线),并进入到老鼠大脑的两侧,而不仅仅是靠近玻璃的一边,并形成老鼠神经元的强突触,人类和老鼠的神经活动是同步的。研究报告的主要作者阿贝德·曼苏尔说:

“当神经元聚集在一起时,这意味着它们是相互连接的,并进行交叉对话,从而形成了神经网络。”

然而,对于所有的人鼠混合体来说,这些啮齿类动物并没有成为比普通老鼠更好的学习者。科学家们把这些老鼠放在一个圆形的平台上,周围有20个洞,轻轻地引导它们进入通向逃生通道的某个洞,然后让它们自己尝试利用记忆去寻找逃生洞口。在第一天的测试中,拥有人类大脑类器官的老鼠犯了更少的错误,更容易找到正确的洞,但是这种优势在第二天就消失了。

盖奇表示:“在行为测试方面,我们只是刚刚触及了表面。我认为,为这个重要问题提供可靠答案还为时过早。这种逃避测试功能十分有限,我还不能排除其他行为影响。”