「我們正在體外培育大腦」

Image caption 圖片來源:Getty Images)

懷孕的瑪德琳·蘭卡斯特摸著她的肚子說:「它現在有六七個月大了。」與此同時,她培育的實驗品的寬度也已經有大約四毫米。她正在培育數百個實驗品,每個都已經生長出200萬個神經元。

所幸她培育的並不是大量的嬰兒——雖然她懷的是個正常的嬰兒。這位科學家談論的是一批正在發育中的人腦。

我們來到了英國醫學研究理事會(MRC)在劍橋大學的全新的分子生物學實驗室,在玻璃正面的背後是大量實驗室、太空時代的設備和長達數英里的通道。這裏並不是地下機構或秘密實驗室。這座耗資2.12億英鎊的建築物中正在進行多個具有面向未來的項目,每一個項目都值得拍成一部好萊塢電影。

Image caption 蘭卡斯特的目標是把人的皮膚變成可以工作的腦細胞(圖片來源:Zaria Gorvett)

在這個研究烏托邦的一個小角落裏,蘭卡斯特的團隊正在努力完成一個近乎荒謬的任務,與其說這是科學,它更像是魔法師的工作:他們在把人的皮膚變成大腦。

「大腦發育的方式和胚胎一樣,」 蘭卡斯特說。雖然這沒錯,但是環境很不一樣。這並不是在子宮裏進行,而是在巨大的孵化器裏培育脫離人體存在的大腦。這些大腦得不到供血,它們依靠營養豐富的液體存活,這些營養液每隔幾天都要更換一次。當然,它們也沒有免疫系統:任何與其接觸的東西都必須先經過酒精消毒。

當她打開孵化器的門時——我不得不承認孵化器的樣子並不像我想像的那麼驚人:枯燥的、水分很多的一團團東西漂浮在淺粉色的液體中。它們看起來像是被泡軟的爆米花粒,而非蘊藏智能的器官。

但是不要被它們的外表欺騙了。事實上,這些「大腦類器官」與普通人的大腦驚人的相似。它們和任何其他大腦一樣可以分為灰質——由神經元組成——和白質,由細「尾巴」構成的肥胖的組織。

Image caption 神經元互相發射信息,大腦正在快速運轉(圖片來源:Zaria Gorvett)

就像普通大腦一樣,每個培育出的大腦也分為不同的區域,包括帶有褶皺的皮質(它被認為是控制語言和有意識思考的區域)、海馬體(情感和記憶的中心)、負責協調肌肉的古老的小腦等等。總之,它們相當於九周大的胎兒的大腦。

那麼,它們是如何製造出來的?

實際上,製造一枚大腦並不像你想的那麼困難。只要有幾種簡單的原料——以及一種把東西泡在酒精裏的難以抑制的熱情——你也可能在數月的時間裏製造出微型大腦。

首先,你需要一些細胞。蘭卡斯特的團隊從別人捐出的皮膚中取樣,不過,讓人有些不安的是,任何類型的細胞都可以用來進行這一人類進化的重要實驗,不論是鼻子、肝臟還是腳指甲。

只有幹細胞能夠發育為人體的所有組織,所以下一步你需要做的是把細胞變成幹細胞。為此,團隊使用了一種用於細胞的青春精華液,這種蛋白質雞尾酒可以讓時光倒流,讓任何細胞還原到胚胎期狀態。

在生長一周後,你會得到一層細胞,你可以把它從陪替氏培養皿上刮下來,搓成一個球。

蘭卡斯特取出了個像是空的培養皿,上面有一些粉色液體。「你可以看到它們,現在它們只有這麼大,」她說。當然,每個裏面都有一個逗號大小的白點。「它們有點想要變成胚胎,」她說。

最終,每個幹細胞都會分化,把這個一致的球體變成多種類型細胞的綜合體。其中就會有大腦細胞。

一開始,研究人員像溺愛孩子的父母一樣餵飽胚胎,促進它們持續生長。但是這種寵愛維持不了很長時間。下一步是把細胞球轉移到新的培養皿裏,這次幾乎不給它們任何食物。大多數細胞會餓死,只留下腦細胞。「腦細胞非常強健——我覺得沒人知道為什麼會這樣,」她說。

最後,腦細胞被塞入果凍狀物質裏。「它和普通的果凍相反——一開始它是液體,把它倒到細胞上面,它在孵化器溫暖的環境下會凝膠化,」她說。這種果凍狀物質類似於大腦在胚胎期所處的環境——就像是臨時性的頭顱——這會促進大腦細胞相對正常的發育。

然後,你就只需要等待。三個月後,培育品生長到4毫米寬,包含大約200萬個神經元。「一個成年老鼠的大腦只含有400萬個神經元,所以這個數量的神經元已經可以大有作為,」她說。

神經元互相發射信號,大腦持續發生腦電活動——儘管蘭卡斯特稱這並不算是很大的成就。「這並不是很特別,但它說明我們培育的是有功能的神經元,它們正在像普通的神經元一樣活動。」

她將其與2013年科學家在培養皿中培育出的心臟細胞比較。心臟細胞的本能是「想要」跳動,而神經元「想要」發射。「即使培養皿中只有一個神經元,它也會非常想要發射,以至於它會自己與自己建立連接,以發射信號。」

此時,蘭卡斯特培育的大腦尚不具備思維能力。沒有人知道大腦的活動如何產生思考——而讓人驚訝的是,要定義什麼是思考非常困難——但是思考有可能是這麼回事:通常,當我們感受到來自外部世界的刺激時——氣味、聲音、想法——我們的大腦會在神經元之間加強連接或形成新的神經元,以儲存信息。成人一般擁有1000萬億條神經元連接,這使得人腦處理信息的能力相當於一台處理速度在每秒1萬億比特的計算機。

難點就在這裏。即使培育出來的大腦擁有和正常人腦一樣的組成部分,但是如果沒有身體為其提供關於周圍環境的信息,大腦無法正常發育。「神經元確實在活動,但是它們並沒有彼此形成組織。」

蘭卡斯特舉出了盲人的例子。「盲人接觸不到光,所以他們大腦中通常會連接起來的那個部分不會形成,」她說。

如果你把實驗室培育的大腦連接到腦電圖描記器上,你可能看不到任何東西。這種機器能夠偵測到的所謂的「腦電波」之所以會發生,是因為數百萬的神經元在同步發射信號;當這些腦電信號合起來時,就可以通過頭皮來偵測到。

「我覺得這是件好事。如果我之前以為會形成合適的神經網絡,那我可能就會遇到問題了,」她說。

但是他們的計劃並不是培育有意識的大腦。相反,蘭卡斯特的計劃是解開一個數十年前的謎團:儘管人類的智力優於其他物種,但是人類與黑猩猩的基因差別只有1.2%。這僅有人類之間個體差異(0.1%)的12倍。這是為什麼?

Image caption 蘭卡斯特的團隊已經把人類的腦細胞與從黑猩猩胎盤培育出來的腦細胞混合起來。(圖片來源:Getty Images)

為了尋找答案,該團隊找到了與大腦發育有關的基因,並用黑猩猩的相應基因替代人類的基因,進而使用這些細胞培育黑猩猩-人類的混合大腦。 培育過程中,基因的作用也顯示出來。帶有黑猩猩基因的大腦大大小於普通人類的大腦,比如包含的神經元較少。

換句話說,這些大腦可以幫助研究者做原本不被允許進行的實驗(可以想像一下,如果把黑猩猩的基因植入真正的人體,會引發怎樣的爭議)。

最後,蘭卡斯特希望用實驗室培育的黑猩猩的大腦做反向實驗。問題在於黑猩猩是受保護的物種——不可以直接找到一隻黑猩猩,取下它的一塊皮膚——但是他們發現了另一種細胞的來源,儘管並不十分光彩。「如果動物園的一隻動物生了幼崽,它通常會把胎盤扔掉,但是我們可以把這種遺棄物拿走,」她說。

在其他地方,類器官正在被用來研究人類獨有的疾病,比如自閉症和精神分裂等。以前很難在實驗室中研究這類疾病的原因,因為它的定義本身就意味著其他動物不會得這種病。

以自閉症為例。嚴重的自閉症兒童無法說話——你如何用本來就不會講話的老鼠來研究自閉症?

但是科學家從普通成人和自閉症兒童的家長身上取下一部分皮膚,培育出大腦並進行比較,他們發現病因可能是兩種主要的神經元的不平衡,一類是發射信號的神經元,另一類是起到阻礙作用的神經元。

「在正常的大腦中,這兩種類型的神經元保持著微妙的平衡。所以你可以想像這一系統的運作方式會發生多麼大的影響,」 蘭卡斯特說。

真正的突破不僅僅是這些培育出來的大腦可以模擬病症,而且它們幫助科學家完成時光倒流,了解自閉症患者的大腦為什麼與他人不同。「你可以反覆觀察它們,並在它們的發育階段尋找大腦發生變化的時間點。一般來說,這是做不到的,」她說。

人工培育大腦已經開始改變我們對大腦、病症和人類獨特性的理解。雖然這一技術發明於2013年,用谷歌搜索「大腦類器官」,可以搜得2820篇科技論文。

那麼未來的發展會怎樣?有幾個團隊正在努力改善大腦,他們為大腦供血,讓它長的更大;目前,4毫米寬的大腦完全依賴於周圍的液體所提供的氧氣和養料。

對很多科學家來說,最終目標是培育出具有正常大腦一樣功能的大腦類器官,這樣他們可以對神經網絡染色、切割、研究,就像對實驗室裏老鼠的大腦一樣。但是,目前的類器官就像爆米花一樣遲鈍。

請訪問 BBC Future 閱讀 英文原文

更多有關此項報導的內容