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微型人造大脑首次产生类似早产儿脑电波信号

2019-09-08

当扁豆巨细的神经细胞在试验室培养皿中成长时,它们开端宣布有节奏的电信号。在《细胞干细胞》近来宣布的一项研讨中,研讨人员发现,从人类干细胞中培养的大脑类器官发生的脑电波,跟着发育的开展变得愈加杂乱,并在微型大脑中构成功用神经回路。并且这些脑电波与人类婴儿发育大脑中的某些特征相同。

科学家们用发育了功用性神经网络的干细胞创造出的微型大脑,虽然巨细只要人类大脑的一百万分之一,但它们是第一个被观察到发生类似早产婴儿脑电波的大脑类器官,这项研讨能够协助科学家更好地舆解人类大脑的发育。

图 | 10个月大的人类大脑类器官(来历:MUOTRI LAB, UCSD)

“咱们在离体环境下看到的神经活动水平是史无前例的,”加州大学圣迭戈分校的生物学家Alysson Muotri说。“咱们离树立一个能够生成杂乱神经网络前期阶段的模型又近了一步。”

Muotri说:“你能够用大脑类器官做一些事,包含了解正常的人类神经发育、疾病建模、大脑进化、药物挑选,乃至是人工智能。”

大脑类器官

人脑细胞的三维球体被称为大脑类器官,是人脑相对简略的模型。虽然很简略,但这些简单取得的类器官现已供给了一个更好的办法,让科学家们来研讨大脑是怎么构成的,以及这个进程是怎么犯错的。

虽然在这些球状类器官中发现的基因表达、细胞类型和发育中的人类大脑有类似之处,但尚不清楚它们是否是探究神经网络构成的适宜模型。

在这项最新研讨中,研讨人员培养出的大脑类器官,由人类多功用干细胞分解而来。经过将干细胞置于模仿大脑发育环境的培养环境中,干细胞分解成不同类型的脑细胞,并组织成类似于发育中的人脑的三维结构。

此前,科学家们现已成功培养出与人类大脑类似的类器官,但是,之前的模型都没有开宣布类似人类的功用神经网络。当神经元老练并相互衔接时,网络就呈现了,它们对大多数大脑活动都是必不可少的。

在这项研讨中,Muotri和他的搭档规划了一个更好的办法来培养干细胞,包含优化培养基配方。这些调整使得它们的类器官比曾经的模型愈加老练。研讨人员诱导干细胞构成构成大脑外层的一些神经元,在10个月的时间里培养了数百品种器官。这些皮质类器官在试验室的培养皿中成长,培养皿中装有沿底部摆放的电极阵列,让科学家能够在类器官发育时监测其电活动。

研讨小组在大约两个月的时分就开端勘探到来自于类器官的脑电波。Alysson Muotri说,在4到6个月的时间里,试验室培养的细胞电活动达到了“史无前例”的水平。他说,这些信号标明,类器官中的神经元现已树立了数十亿个衔接。

图 | 人脑类器官的横截面(来历:MUOTRI LAB, UCSD)

9个月大时,这些类器官表现出与新生儿大脑活动相照应的脑电活动。为了研讨了类器官脑电波和人脑之间或许存在的类似之处,研讨小组经过搜集24 - 38周早产儿的脑电图数据,训练了一个机器学习算法,依据脑电图检测到的神经活动来确认受试者的年纪。当研讨小组向计算机输入来自大脑类器官的信息时,它无法将多电极阵列搜集到的类器官脑电图数据区别开来。

“类器官的进化办法与人类婴儿的大脑相同,9个月时达到了与新生儿类似的水平。”Muotri说。

“由成纤维细胞开展而来的类器官的主意真的很令人兴奋,它将为咱们供给一些患者特异性的信息,”斯坦福大学的电生理学家John Huguenard说,他没有参加这项研讨。“我对他们所看到的活动的性质不太感兴趣。但这是一个信号,标明他们正在朝着正确的方向行进,不过咱们还没有彻底走到这一步。”

挨近人类的大脑

不过,Muotri以为,这些类器官不太或许具有认识等精力活动。“这个类器官仍然是一个十分初级的模型——没有大脑的其他部分和结构。所以这些脑电波或许与实在大脑中的活动没有任何关系。”

研讨人员标明,虽然这些类器官能够在试验室里存活数年,但它们的脑电活动在9个月左右趋于稳定。要使类器官得到更进一步的开展,还需要更多的改善。

Muotri说:“在未来,咱们或许会得到一些十分挨近人类大脑中操控行为、思维或回忆的信号。但我不以为现在有任何依据标明咱们取得了任何这些(信号)。”

视频 | 试验室培养的大脑类器官检测到类似于新生儿大脑的脑电波(来历:MUOTRI LAB/UCTV)

“作为一名科学家,我想越来越挨近人类的大脑,”Muotri说。“我想这么做,由于我看到了其间的优点。我能够协助有神经疾病的人,给他们更好的医治和更好的日子质量。但这要由咱们来决议极限在哪里,或许是技能还没有准备好,或许咱们不知道怎么操控技能。这是关于CRISPR婴儿相同的评论,这便是为什么咱们有品德委员会来代表社会的一切部分。”

“这是一份风趣的陈述,将捕捉到早产儿的正常大脑活动与类器官活动脑电图进行比较,但我以为咱们有必要慎重对待。”加州大学旧金山分校干细胞生物学家Arnold Kriegstein标明,他并没有参加这项作业。他解说说,与在体内发育的大脑不同,这些类器官短少与大脑其他区域的衔接,也短少按捺神经元,而按捺神经元是人脑脑电图活动的首要根底。这些问题引发了关于这些脑电活动背面的机制问题,以及这些回路的构成是否与实在的皮层有任何类似之处。

俄亥俄州哥伦布市全国儿童医院的神经学家Mark Hester 说,这项研讨“为剖析这些神经网络是怎么构成的供给了一个开始结构”。重要的是要记住,这些类器官并不是实在存在的,而仅仅是一个模型。“咱们看到的不是一个微型大脑。”

展望未来,该团队的方针是进一步改善类器官,并使用它们来了解与神经网络故障相关的疾病,如自闭症、癫痫和精力分裂症。Muotri和他的搭档正在探究添加杂乱性的办法,或许是经过添加更多类型的细胞或血液供给。科学家们正在影响这些类器官,传递类似于神经元或许从其他大脑区域或外部国际接收到的信号,这些信号是已知的刻画大脑发育的力气。

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参阅:

https:///cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(19)30337-6

https:///releases/2019/08/190829150824.htm

https:///news-opinion/human-cortical-organoids-make-brain-waves-66368

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