Lab-Grown Minibrains显示与婴儿的大脑类似的活动

神经元是一个集体的群体。尽管每个神经元单独接收，处理和传递信息，但电子尖峰仅在振荡活动的波浪中融合在一起时才有意义。像管弦乐队一样，每个神经元的音符都很重要。但只有当他们以特定方式同步时，单个音符才会转化为思想，记忆和行动的音乐。

通过对动物的研究，科学家们早就知道，即使是非常年轻的大脑 – 比如那些仍在母亲子宫中的大脑 – 随着它们的成熟逐渐产生神经振荡。破坏这种同步性的基因突变导致旋律摇摆不定，导致神经发育问题，包括自闭症，癫痫或精神分裂症。然而，这些想法仍然是有根据的猜测，主要是因为无法监测正在发育的人类胎儿的大脑。

如果有可靠的替代方案怎么办？

本周，加州大学圣地亚哥分校和哈佛大学之间的合作发现了替代方案，其影响在科学开创性和彻底麻烦之间展开。他们的解决方案是从胚胎干细胞或从皮肤和其他成熟细胞转化而来的干细胞（称为iPSCs）生长的小型豌豆，豌豆大小的类器官。脑类器官高度模仿人类胎儿大脑的发育轨迹，但据我们所知，它们没有意识或思考。

问题？该团队首次表明，小型巴士在成熟时会形成高度同步的神经振荡。它们也不是随机活动波。通过机器学习，该团队将这些活动模式与早产儿24周时的活动模式进行了比较。即使测量结果不同 – 一个是直接来自小型巴林，另一个是通过带有EEG的头皮 – 两者在网络电活动随时间推移出现的情况上非常相似。

该团队希望这些类器官最终可以取代胎儿脑组织的研究，这在伦理上更具争议性。实验室内模拟我们自己的迷你毒素越少，我们就越不能依赖动物模型来破解一些大脑最令人困惑的疾病，Alysson Muotri博士说，他与Bradley Voytek博士共同领导了这项研究。

意识是什么？

别搞错了：团队没有在盘子里培养人脑。

虽然这些迷你毒素类似于皮质，即大脑的最外层区域，但即使在胎儿晚期，它们也比普通人类大脑小几倍。 Muotri解释说：“即使在婴儿身上，它们在功能上也远不及完整的皮层。”

然而，发表在Cell Stem Cell上的这项新研究应该开始让人们停下来。迷你毒在神经发育研究人员的心中获胜的原因在于它们与人类胎儿大脑的相似程度。

烹饪这些类器官的配方很多，但大多数都将皮肤细胞转化为干细胞，在培养皿中培养出来，并在旋转的生物反应器内进一步成熟小细胞球。科学家们正在越来越多地推动小型巴士能够在多长时间内成熟 – 九个月，就像在这项研究中一样，是相当合理的 – 部分原因是它们缺乏支持生长的血管。在没有内部血液供应的情况下，内核最终会枯萎并死亡，从而从内向外破坏微型导管。

这是脑类器官的横截面，显示皮质板的初始形成。每种颜色都标志着不同类型的脑细胞。图片来源：©Muotri Lab – UCTV。

尽管存在局限性，但数百项研究共同表明，在其基因谱和细胞组成方面，迷你毒素类似于第二胎胎儿大脑。脑类器官，一种模仿皮质的特定类型，甚至开始发展我们在自己的大脑中看到的层状多层结构。小型激素中的神经元形成功能性突触，其中一个激活另一个下游伴侣。有些人甚至在暴露在光线下时会产生活动，模仿一个简陋的视网膜。

然而到目前为止，没有人能够令人信服地证明小型车内部的电气活动带有信息 – 它可能只是随机爆发而没有意义。然后是上个月来自日本的一份报告，该报告发展了小型巴士，然后将细胞解剖到一个盘子上，以自发形成网络。令他们彻底震惊的是，研究小组发现了一些迹象，表明微小神经元能够以类似于神经元学习的方式同步他们的活动：一起火，一起连线。

那时，科学家们并不知道是否有类似的结果也适用于整个未解剖的小巴。新研究表明是的。

同步中的舞蹈

为了一劳永逸地回答这个问题，研究小组在64个电极上培养了大脑的类器官，每个电极都有多个通道。当小型列车逐渐发展时，该团队可以跟踪他们的电活动，类似于将脑电图悬停在大脑外但在头骨内部。他们还带来了一系列工具，通常用于分析成熟振荡以挖矿录音。

最初的分析证实，迷你毒素捕获了导致神经振荡的基本成分：兴奋性和抑制性神经元。它们共同组成一个“拨号盘”，以控制大脑活动的水平。但是表盘没有锁定到位，并且转动它 – 例如，改变两种神经元类型的相对激活水平 – 调整网络活动。

这是一个疯狂的部分：早在盘中两个月之后，迷你巴士开始在零星阵阵中展示高度同步和刻板的网络活动，尽管他们仍然享受着充足的安静时间。四个月大的时候，阵阵变成了有节奏的活动，类似于起伏的海浪。在六个月大的时候，仍然比豌豆大一点，小型巴士开始出现电子签名，通常表明神经网络中的功能通信，大大减少了他们活动的停机时间。

这些豌豆大小的脑类器官已有10个月大。图片来源：©Muotri Lab – UCTV。

以前没有人在整个生活小型车上看到过这种电气复杂程度。 “我们起初不敢相信 – 我们认为我们的电极出现故障，”Muotri博士说。

为了进一步深入了解这些信号的含义，该团队转向机器学习。针对来自24至36周龄早产儿的EEG模式训练的AI算法被要求将这些脑波与从类器官测量的脑波相关联。这不是一个苹果对苹果的匹配：因为EEG是从头骨收集的，它不能完全反映使用放置在组织外的电极测量的大脑活动模式。

然而，结果非常相似，而不仅仅是在训练数据中。为了减少误报（在机器学习术语中称为过度拟合的东西），团队仅使用EEG数据训练和验证算法。这个“保存”了他们的迷你数据，在测试前看不到算法。结论？人工智能在早产儿和迷你毒素的数据中心化检测到强大的网络同步性 – 并且它们相关性很好，以便使用脑电图训练预测新生儿年龄的算法可以可靠地预测小巴的发育时间线。

由多电极阵列产生的这种活动图显示了大脑类器官的活跃程度。红色表示非常活跃，黑色表示沉默。图片来源：©Muotri Lab – UCTV。

道德困境

团队欣喜若狂。 Minibrains是一种“可行的神经科学研究模型”，他们说，特别是他们“早期神经发育过程中脑网络功能活动的成熟。”这提供了一个有前景的小规模皮质模型来检查早期发育的根源适当的动物模型。数百万人可以受益。

这些振荡意味着什么仍然是一个谜，团队并不急于猜测。与我们的大脑不同，小巴与外部传感器 – 耳朵，鼻子，眼睛，皮肤 – 没有关联，因此无论他们产生的神经活动是什么，都可能反映神经元组织成一个管弦乐队。他们是“幻觉？”你的猜测和任何一样好。

显而易见的是，我们越来越接近模仿盘中复杂和成熟的大脑。这并不是说小巴有意识 – 可能远离它，它们比成人大脑小一百万倍。然而，Muotri承认，我们还没有一种完全定义的方法来衡量体外的感知。

“我的一些同事说，'不，这些事情永远不会有意识，'”穆特里说。 “现在我不太确定。”

图片来源：Muotri Lab – UCTV。