科学家培育出更加逼真的类大脑

据国外媒体报道，自从医生能够从病人身上切除肿瘤并在培养皿中进行研究以来，肿瘤学已经发生了巨大的变化。斯坦福大学神经科学家谢尔盖·帕斯卡希望精神病学领域将经历如此巨大的转变。然而，与癌症相比，研究人脑带来了更大的挑战。既然大脑科学家不能像医生解剖肿瘤一样从健康人的大脑皮层切下一块组织，他们必须发挥创造力，找到另一种方法。

帕斯卡和其他研究人员致力于利用干细胞培育直径约4毫米的微小球形人脑。在适当的化学物质刺激下，它们可以发育成神经元和其他类型的细胞。几周甚至几个月后，它们可以形成一个类似于真实大脑区域的组织结构。(我们必须在这里进行量化，因为这些组织缺乏血管和免疫细胞等关键成分。研究人员认为，这种组织工程技术将彻底改变基础大脑研究、疾病建模和个性化医学。

在过去的五年里，科学家开发的“迷你大脑”已经逐渐变得越来越现实。例如，《量子》杂志本月早些时候报道了一种结合前脑回路的新方法，这种方法可以使中间神经元从一个大脑区域转移到另一个区域，就像在真实人脑中一样。

但到目前为止，大多数模拟真实大脑培养的尝试都集中在大脑发育的早期阶段。然而，越来越多的证据表明，自闭症和精神分裂症等神经发育障碍会在妊娠中晚期出现，甚至可能在出生后出现。在如此长的一段时间里，甚至在亚细胞水平上，大脑的组成也可能发生了巨大的变化。这样，模拟早期胚胎大脑的研究似乎价值有限。

但是从最近发表在《神经元》杂志上的一项研究来看，帕斯卡和他的团队可能已经找到了突破障碍的方法——大大延长了迷你大脑的存活时间。他们开发的类似大脑的物质已经存活了将近两年。这是历史上存活时间最长的人类细胞培养。(帕斯卡在一次采访中补充道，一些类似大脑的生物甚至存活至今，寿命超过850天。为了证明这些微型大脑的价值，科学家们集中精力培养一种特殊的脑细胞。由于发展缓慢和研究困难，这些细胞以前被科学家忽略了。

星形胶质细胞是非神经细胞，体积大，形状类似星星。大部分白质和大量灰质神经元都是由它们组成的。不久前，科学家开始意识到星形胶质细胞的重要作用:它们可以帮助神经元形成突触，并在不需要时“修剪”它们。它们能与血管建立联系，还能检测大脑损伤。然而，这些细胞也与神经退行性疾病如硬化有关，科学家怀疑它们可能会加重神经发育障碍。

几年前，帕斯卡和斯坦福大学的同事本·巴瑞斯合作研究了星形胶质细胞通过器官样器官的发育过程。巴瑞斯的实验室已经研究星形胶质细胞和其他白质细胞很多年了，但是巴瑞斯直到最近才发现胚胎大脑中星形胶质细胞的形状和基因表达与出生后大脑中的非常不同。通过延长相似器官的生长时间，帕斯卡和巴瑞斯能够判断存活时间较长的迷你脑是否符合真实脑的发育规律，并产生更多成熟的星形胶质细胞。

结果表明两者非常相似。在器官样发育的前五个月，星形胶质细胞非常活跃并迅速增殖，同时“修剪”神经元之间的突触联系，就像胎儿在子宫内发育一样。但是九个月后，类脑细胞中的星形胶质细胞达到了更成熟的状态，接近于巴瑞斯在婴儿出生后脑细胞中观察到的状态。它们开始显示不同的基因表达，它们的大部分活动转向支持功能，例如增强邻近神经元的钙信号以促进它们的发育和成熟。

“神经元非常简单，我们可以用人类干细胞来培养无数的神经元。但是星形胶质细胞更复杂。”加州大学圣地亚哥分校的阿里松·莫特利教授指出，“在这项研究之前，我们从来不知道如果我们等待足够长的时间，我们可以培养成熟的星形胶质细胞。”

该团队获得的结果为研究人脑的发育过程提供了新的机会。宾夕法尼亚州立大学佩雷尔曼医学院的神经科学家郭立明指出，这些大脑类型不仅可以作为研究星形胶质细胞成熟过程的模型，还可以用来分析涉及神经元和星形胶质细胞的疾病。

为了实现这个目标，帕斯卡和他的同事们正在努力加速细胞样细胞的成熟，因为很难保证细胞培养物在很长一段时间内不受污染。对于疾病建模，当前的成熟率也缺乏实用价值，尤其是为了反映患者的具体情况和希望操纵基因表达。科学家希望使用样本细胞直接培养相应的器官，就像肿瘤学家在分析肿瘤时所做的那样。然而，尽管仍有很大的改进空间，但帕斯卡对类似器官的未来感到兴奋，因为这是一种非侵入性的、量身定制的治疗方法，或者在神经医学中起着重要作用。"现在我们可以开始研究胎儿发育的异常会导致精神障碍."他说。