“我们正在体外培育大脑”

Image caption 图片来源:Getty Images)

怀孕的玛德琳·兰卡斯特摸着她的肚子说:“它现在有六七个月大了。”与此同时,她培育的实验品的宽度也已经有大约四毫米。她正在培育数百个实验品,每个都已经生长出200万个神经元。

所幸她培育的并不是大量的婴儿——虽然她怀的是个正常的婴儿。这位科学家谈论的是一批正在发育中的人脑。

我们来到了英国医学研究理事会(MRC)在剑桥大学的全新的分子生物学实验室,在玻璃正面的背后是大量实验室、太空时代的设备和长达数英里的通道。这里并不是地下机构或秘密实验室。这座耗资2.12亿英镑的建筑物中正在进行多个具有面向未来的项目,每一个项目都值得拍成一部好莱坞电影。

Image caption 兰卡斯特的目标是把人的皮肤变成可以工作的脑细胞(图片来源:Zaria Gorvett)

在这个研究乌托邦的一个小角落里,兰卡斯特的团队正在努力完成一个近乎荒谬的任务,与其说这是科学,它更像是魔法师的工作:他们在把人的皮肤变成大脑。

“大脑发育的方式和胚胎一样,” 兰卡斯特说。虽然这没错,但是环境很不一样。这并不是在子宫里进行,而是在巨大的孵化器里培育脱离人体存在的大脑。这些大脑得不到供血,它们依靠营养丰富的液体存活,这些营养液每隔几天都要更换一次。当然,它们也没有免疫系统:任何与其接触的东西都必须先经过酒精消毒。

当她打开孵化器的门时——我不得不承认孵化器的样子并不像我想象的那么惊人:枯燥的、水分很多的一团团东西漂浮在浅粉色的液体中。它们看起来像是被泡软的爆米花粒,而非蕴藏智能的器官。

但是不要被它们的外表欺骗了。事实上,这些“大脑类器官”与普通人的大脑惊人的相似。它们和任何其他大脑一样可以分为灰质——由神经元组成——和白质,由细“尾巴”构成的肥胖的组织。

Image caption 神经元互相发射信息,大脑正在快速运转(图片来源:Zaria Gorvett)

就像普通大脑一样,每个培育出的大脑也分为不同的区域,包括带有褶皱的皮质(它被认为是控制语言和有意识思考的区域)、海马体(情感和记忆的中心)、负责协调肌肉的古老的小脑等等。总之,它们相当于九周大的胎儿的大脑。

那么,它们是如何制造出来的?

实际上,制造一枚大脑并不像你想的那么困难。只要有几种简单的原料——以及一种把东西泡在酒精里的难以抑制的热情——你也可能在数月的时间里制造出微型大脑。

首先,你需要一些细胞。兰卡斯特的团队从别人捐出的皮肤中取样,不过,让人有些不安的是,任何类型的细胞都可以用来进行这一人类进化的重要实验,不论是鼻子、肝脏还是脚指甲。

只有干细胞能够发育为人体的所有组织,所以下一步你需要做的是把细胞变成干细胞。为此,团队使用了一种用于细胞的青春精华液,这种蛋白质鸡尾酒可以让时光倒流,让任何细胞还原到胚胎期状态。

在生长一周后,你会得到一层细胞,你可以把它从陪替氏培养皿上刮下来,搓成一个球。

兰卡斯特取出了个像是空的培养皿,上面有一些粉色液体。“你可以看到它们,现在它们只有这么大,”她说。当然,每个里面都有一个逗号大小的白点。“它们有点想要变成胚胎,”她说。

最终,每个干细胞都会分化,把这个一致的球体变成多种类型细胞的综合体。其中就会有大脑细胞。

一开始,研究人员像溺爱孩子的父母一样喂饱胚胎,促进它们持续生长。但是这种宠爱维持不了很长时间。下一步是把细胞球转移到新的培养皿里,这次几乎不给它们任何食物。大多数细胞会饿死,只留下脑细胞。“脑细胞非常强健——我觉得没人知道为什么会这样,”她说。

最后,脑细胞被塞入果冻状物质里。“它和普通的果冻相反——一开始它是液体,把它倒到细胞上面,它在孵化器温暖的环境下会凝胶化,”她说。这种果冻状物质类似于大脑在胚胎期所处的环境——就像是临时性的头颅——这会促进大脑细胞相对正常的发育。

然后,你就只需要等待。三个月后,培育品生长到4毫米宽,包含大约200万个神经元。“一个成年老鼠的大脑只含有400万个神经元,所以这个数量的神经元已经可以大有作为,”她说。

神经元互相发射信号,大脑持续发生脑电活动——尽管兰卡斯特称这并不算是很大的成就。“这并不是很特别,但它说明我们培育的是有功能的神经元,它们正在像普通的神经元一样活动。”

她将其与2013年科学家在培养皿中培育出的心脏细胞比较。心脏细胞的本能是“想要”跳动,而神经元“想要”发射。“即使培养皿中只有一个神经元,它也会非常想要发射,以至于它会自己与自己建立连接,以发射信号。”

此时,兰卡斯特培育的大脑尚不具备思维能力。没有人知道大脑的活动如何产生思考——而让人惊讶的是,要定义什么是思考非常困难——但是思考有可能是这么回事:通常,当我们感受到来自外部世界的刺激时——气味、声音、想法——我们的大脑会在神经元之间加强连接或形成新的神经元,以储存信息。成人一般拥有1000万亿条神经元连接,这使得人脑处理信息的能力相当于一台处理速度在每秒1万亿比特的计算机。

难点就在这里。即使培育出来的大脑拥有和正常人脑一样的组成部分,但是如果没有身体为其提供关于周围环境的信息,大脑无法正常发育。“神经元确实在活动,但是它们并没有彼此形成组织。”

兰卡斯特举出了盲人的例子。“盲人接触不到光,所以他们大脑中通常会连接起来的那个部分不会形成,”她说。

如果你把实验室培育的大脑连接到脑电图描记器上,你可能看不到任何东西。这种机器能够侦测到的所谓的“脑电波”之所以会发生,是因为数百万的神经元在同步发射信号;当这些脑电信号合起来时,就可以通过头皮来侦测到。

“我觉得这是件好事。如果我之前以为会形成合适的神经网络,那我可能就会遇到问题了,”她说。

但是他们的计划并不是培育有意识的大脑。相反,兰卡斯特的计划是解开一个数十年前的谜团:尽管人类的智力优于其他物种,但是人类与黑猩猩的基因差别只有1.2%。这仅有人类之间个体差异(0.1%)的12倍。这是为什么?

Image caption 兰卡斯特的团队已经把人类的脑细胞与从黑猩猩胎盘培育出来的脑细胞混合起来。(图片来源:Getty Images)

为了寻找答案,该团队找到了与大脑发育有关的基因,并用黑猩猩的相应基因替代人类的基因,进而使用这些细胞培育黑猩猩-人类的混合大脑。 培育过程中,基因的作用也显示出来。带有黑猩猩基因的大脑大大小于普通人类的大脑,比如包含的神经元较少。

换句话说,这些大脑可以帮助研究者做原本不被允许进行的实验(可以想象一下,如果把黑猩猩的基因植入真正的人体,会引发怎样的争议)。

最后,兰卡斯特希望用实验室培育的黑猩猩的大脑做反向实验。问题在于黑猩猩是受保护的物种——不可以直接找到一只黑猩猩,取下它的一块皮肤——但是他们发现了另一种细胞的来源,尽管并不十分光彩。“如果动物园的一只动物生了幼崽,它通常会把胎盘扔掉,但是我们可以把这种遗弃物拿走,”她说。

在其他地方,类器官正在被用来研究人类独有的疾病,比如自闭症和精神分裂等。以前很难在实验室中研究这类疾病的原因,因为它的定义本身就意味着其他动物不会得这种病。

以自闭症为例。严重的自闭症儿童无法说话——你如何用本来就不会讲话的老鼠来研究自闭症?

但是科学家从普通成人和自闭症儿童的家长身上取下一部分皮肤,培育出大脑并进行比较,他们发现病因可能是两种主要的神经元的不平衡,一类是发射信号的神经元,另一类是起到阻碍作用的神经元。

“在正常的大脑中,这两种类型的神经元保持着微妙的平衡。所以你可以想象这一系统的运作方式会发生多么大的影响,” 兰卡斯特说。

真正的突破不仅仅是这些培育出来的大脑可以模拟病症,而且它们帮助科学家完成时光倒流,了解自闭症患者的大脑为什么与他人不同。“你可以反复观察它们,并在它们的发育阶段寻找大脑发生变化的时间点。一般来说,这是做不到的,”她说。

人工培育大脑已经开始改变我们对大脑、病症和人类独特性的理解。虽然这一技术发明于2013年,用谷歌搜索“大脑类器官”,可以搜得2820篇科技论文。

那么未来的发展会怎样?有几个团队正在努力改善大脑,他们为大脑供血,让它长的更大;目前,4毫米宽的大脑完全依赖于周围的液体所提供的氧气和养料。

对很多科学家来说,最终目标是培育出具有正常大脑一样功能的大脑类器官,这样他们可以对神经网络染色、切割、研究,就像对实验室里老鼠的大脑一样。但是,目前的类器官就像爆米花一样迟钝。

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