连大脑都能在器皿中培养了

美国科学家称，他们已经在器皿中培育出近乎完整的大脑。这一成果对于了解人类大脑功能、治疗各种精神疾病具有非凡的意义，但也具有潜在的危险。

张田勘

美国俄亥俄州立大学的生物化学和药理学教授阿南德（Rene Anand）近日在佛罗里达举办的军事卫生系统研究研讨会上宣称，他们已经在培养皿中培育出近乎完整的大脑。虽然这个大脑只有铅笔的橡皮擦头大小，却包括了人类胎儿大脑中存在的99%的基因，相当于5周胎儿大脑的成熟度。

最重要的类器官

阿南德等人培育的大脑其实是类器官（organoids）的一种。类器官的出现是干细胞研究的直接成果之一，由干细胞培育出来的类器官是一种微型器官，或称迷你器官。这类器官具有某些功能，但无完整的人类器官功能，而且在形态和体积上比真实的器官小得多，因而统称为类器官。

迄今，研究人员已经利用人的胚胎干细胞和其他干细胞培育出多种类器官。如果以器官的功能和作用来衡量，大脑无疑是最重要的类器官，因为它是生物的指挥和行为中心。

根据阿南德等人的介绍，培育类大脑的过程似乎比较轻松。一开始，研究人员把成人皮肤细胞转化成诱导的多能干细胞（IPS），这种细胞可以重编程为任何人体组织。由于人类大脑的复杂性，阿南德等人一直不能培育出大脑组织。直到他们改进了技术，把能够发育成神经组织的细胞区分和提取出来，放在一个模拟子宫环境的装置中进行培育。

经过12周培养，长成了相当于5周大的胎儿的完整大脑。通过高分辨成像观察这个培育出的类大脑可以发现，它具有功能神经元、轴突、树突、星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞，同时激活了大脑中具有典型兴奋和抑制功能的神经细胞的标记。此外，这个类大脑还连接了脊髓，有信号传导甚至视网膜组织。

避开伦理争议

根据形态标准，这个类大脑具有与真正的大脑相似的完整的组织形态和各种神经元，因此阿南德认为，这是一颗完整的大脑。过去，研究人员曾培养出近似9周大胎儿的脑组织，但不是完整的大脑。

当然，这次的类大脑也并非完整意义的大脑，因为发育成5周大的胎儿大脑需要培育15周时间，但现在只培育了12周，而且只具有人类胎儿大脑中99%的基因。不过，如果让这个类大脑继续发育到16-20周，可能会发育和补齐缺失的1%基因。

继续培育更成熟的大脑需要血液供应，阿南德承认他们的研究团队尚无这种能力。最好的办法是，制造一个人造心脏，以帮助这个大脑进一步发育，如此就有可能让这个类大脑发育更成熟，成为拥有完整的人类大脑基因的类大脑。

当然，这只是估计，研究人员能否培育出真正的大小一样、功能完备的胎儿大脑还是一个未知数，但是，其意义也非常巨大。

这个类大脑的最大的意义是避开了使用胚胎干细胞的局限和争论。具有全能分化的胚胎干细胞是研究人员所心仪的生物医学原材料，因为这可以分化为各种组织和器官，具有货真价实的质量。但是，胚胎干细胞最大的限制是伦理争议。当今世界上无论哪个国家的研究人员都不敢越雷池一步，即使用人的胚胎干细胞只能研究限于14天的胚胎，此后就要销毁胚胎，这是各个国家人类胚胎干细胞研究伦理的基本准则。

所以，阿南德等人的研究采用的是成人的皮肤细胞，并生成诱导的多能干细胞，回避了人类胚胎干细胞的伦理争议，这实际上是一个非常巧妙的研究途径和方式。

精神病患者的福音

相当于5周大胎儿的类大脑有什么作用？阿南德提供的答案是，这个大脑模型能进行药物试验。在药物上市前必须进行临床人体一至三期试验，在进行人体试验之前，可以用这种类大脑检测研发的新药，其次可以利用类大脑对中枢神经系统疾病如阿尔茨海默病（老年性痴呆）、帕金森病等进行研究，包括这些病的大脑生物学原因、病理和环境对大脑影响的研究。

在阿南德等人培育出类大脑之前，能够利用的技术是用干细胞培育出神经细胞来治疗帕金森病或阿尔茨海默病，但是迄今也只是到达动物试验阶段。以帕金森病为例，该病的部分发病原因被视为大脑中的多巴胺神经元受损，这类神经细胞不能制造传递神经信号的物质多巴胺。因此用干细胞培育出多巴胺神经元并移植到患者大脑中就成为一种有希望的治疗方法。

2012年，日本京都大学诱导多能干细胞（iPS）研究所的高桥淳研究小组在美国《干细胞》杂志上发表文章称，该研究小组从猴子受精后1周的受精卵内侧取出一部分细胞进行培养，制作成胚胎干细胞，再让胚胎干细胞生长42天，使其生长为神经细胞，然后再将这些细胞制作成含有35%的能够分泌多巴胺的神经细胞团块。

此后，把这些细胞团块分别移植到4只患有帕金森病的猴子脑内。6个月之后，猴子的手足震颤都消失了，从原先抱着笼子不能活动的瘫痪状态变为能够在笼子中来回走动。检查发现，猴子的脑中长成了新的多巴胺能神经元。

2013年，高桥淳研究小组又利用一只猴子的iPS细胞培育出多巴胺神经元，对同一只猴子进行自体移植以及对其他猴子进行异体移植试验，3个月后观察猴子脑部变化，结果显示，接受自体移植的猴子几乎未出现排异反应，并且改善了其帕金森病症状。但在接受异体移植的猴脑内，一部分移植的细胞因排异反应而死亡。这说明用自体细胞诱导生成干细胞，再定向培育成多巴胺神经元可以避免免疫排异反应，有效治疗帕金森病。

显然，无论是用诱导多能干细胞生成的多巴胺神经元还是胚胎干细胞生成的多巴胺神经元进行移值，都可以有效治疗灵长类动物的帕金森病，下一步需要进行人的试验才能确定这种神经元移植是否可以治疗人的帕金森病。

现在，阿南德等人培育出了5个月大胎儿的类大脑，比此前的干细胞移植治疗帕金森病具有更大的优势。因为这种类大脑的细胞已经大致形成雏形，有成熟的分门别类的神经细胞。因此可以直接从中提取多巴胺能神经元来进行移植试验，看看治疗帕金森病甚至阿尔茨海默病的效果如何。这种方式就比干细胞培养和移植大大地前进一步。

类大脑不只是供移植治疗疾病。对于各种神经精神疾病的研究，类大脑能够提供生物实物模型。例如，对于抑郁症、精神分裂症、自闭症等至今束手无策的疾病，不仅可以从解剖部位来定向定位研究，还可以从大脑组织和大脑物质，包括大脑分泌的种种物质以及生物电流来研究。

更重要的是，如果能培育大脑，也为人们直观地了解大脑提供了一个难得的机会和方式，尤其是对于2013年发起的人脑计划具有重要帮助，甚至具有决定意义。如果研究人员能全程观察到大脑是如何生长和发育的，对于上述任务以及其他大脑任务的完成就提供了实时和真实的模型。例如，海马回是何时长成的，是否对记忆和学习有重要作用，以及如何起作用，都可以在观察大脑中的海马回生长和形成中获得线索甚至答案。

潜在的危险？

然而类大脑的最大作用是，它能否作为一个完整的大脑行使人的智慧功能，如果可以，就比仿制大脑的人工智能或智能机器人要强大得多，但也危险得多。用诱导多能的干细胞培育大脑虽然绕过了胚胎干细胞的伦理限制，却具有更大的潜在危险。

阿南德称，培育出的这个大脑没有意识，也不会思考，相关研究不存在任何伦理问题。而且，基于大脑功能的形成是要与现实形成反馈和神经回路，阿南德也认为，“我们不向这个大脑输入任何感官刺激。这个大脑不以任何方式进行思考”。即便如此，未来利用这种类大脑还是有太多的想象和实施的空间。

如果这个类大脑培育的时间更长，让其发育成拥有人类大脑所有基因的完整大脑，而且在培育这种大脑的同时制备相应的各种人体器官甚至是多种材料的机器人躯体，让这个类大脑能指挥四肢和机器人的所有行动，同时在类大脑发育的后期像人的大脑发育一样，给予其刺激，让其具有成人的思维或超越人类的思维与智力，这就可能超越目前为止所有的人工智能对人类的威胁。