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大腦類器官首次自發性產生類似人類腦波

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科技產業資訊室 - May 發表於 2019年9月9日

圖、大腦類器官首次自發性產生類似人類腦波
 
加州大學聖地亞哥分校 Alysson Muotri 研究團隊發現,當扁豆大小的腦神經細胞在實驗室培養皿中生長時,它們開始發出有節奏的電信號,神經元或已建立數十億個連接。在《Nature》發表的一項研究,研究人員發現,從人類幹細胞中培育(coaxed human stem cells)的大腦類器官(organoids)產生的腦電波,這是第一次自發地產生類似人類的腦電波。隨著發育的進展變得更加複雜,並在微型大腦(mini-brain)中形成功能神經迴路,而且這些腦電波與人類嬰兒發育大腦中的某些特徵相同。
 
這可以幫助科學家研究早期的大腦發育,但該技術也引發了關於創造有意識的微型器官(miniature organs)的倫理問題,儘管大小只有人類大腦的一百萬分之一。
 
腦電圖(EEG)活動速率高於其他大腦類器官

在這項研究中,大腦類器官(organoids)以3D培養生長時,可以發展在大腦中看到的複雜結構。Muotri和他的同事設計了一個更好的方法來培養幹細胞,包括優化培養基配方。這些調整使得它們的類器官比以前的模型更加成熟。研究人員誘導幹細胞形成構成大腦外層的一些神經元,在10個月的時間裡培養了數百種類器官。這些皮質類器官在實驗室的培養皿中生長,培養皿中裝有沿底部排列的電極陣列,讓科學家能夠在類器官發育時監測其發電活動。
 
Muotri團隊不斷記錄小腦表面的電學模式或腦電圖(EEG)活動,到六個月時,類器官的觸擊速率高於之前創造的其他大腦類器官,這讓團隊感到驚訝。在成熟的大腦中,神經元形成同步網絡,以可預測的節奏發射。但是,類器官顯示出不規則的腦電圖模式,類似於在發育中的大腦中看到的同步電活動的混亂爆發。當研究人員將這些節律與早產兒的腦電圖進行比較時,他們發現類器官的模式接近受孕後25-39週出生的嬰兒。
 
9個月大時,這些類器官表現出類似新生兒大腦活動的腦電活動。為了研究類器官腦電波和人腦之間可能存在的相似之處,研究小組通過收集24 - 38週早產兒的腦電圖數據,訓練了一個機器學習算法,根據腦電圖檢測到的神經活動來確定受試者的年齡。當研究小組向計算機輸入來自大腦類器官的信息時,它無法將多電極陣列收集到的類器官腦電圖數據區分開來。
 
Muotri說,類器官並不是真正的人類大腦。它們不包含在皮質中發現的所有細胞類型,並且它們不與其他大腦區域連接。但是,他的小組現正努力於長時間進行類器官培育,看看它們是否會繼續成熟。研究人員還計劃通過將這些結構連接到模擬大腦或身體其他部分的類器官來探索這些結構是否像正常皮層一樣起作用。
 
如何證明類器官的腦波類似早產兒的腦波,將是一件困難的事。
 
費城賓夕法尼亞大學的發育神經科學家Hongjun Song說,雖然類器官研究工作還在初期階段,但與早產兒腦電圖模式的相似性,說明了類器官最終可用於研究腦發育障礙,如癲癇或自閉症。
 
但也有不同看法。赫爾辛基大學的神經生理學家Sampsa Vanhatalo說,僅僅因為類器官的腦電波看起來像是早產兒的腦,並不意味著他們正在做同樣的事情。他開發了嬰兒腦電圖數據庫,Muotri拿它來比較他的類器官測量數據。
 
加利福尼亞大學舊金山分校的神經學家Arnold Kriegstein表示,如何證明它們是相同的,將是一件困難的事。他解釋說,與在體內發育的大腦不同,這些類器官缺乏與大腦其他區域的連接,也缺少抑制神經元,而抑制神經元是人腦腦電圖活動的主要基礎。他補充說,類器官可能缺少能夠驅動腦部腦電圖模式的關鍵組件。
 
類器官有意識存在嗎?

然而,華盛頓州西雅圖艾倫腦科學研究所Christof Koch說,很難知道器官何時是有意識的,因為研究人員甚至不同意如何測量成人的意識,或嬰兒的意識出現。
 
展望未來,該團隊的目標是進一步改善類器官,並利用它們來了解與神經網絡相關的疾病,如自閉症、癲癇和精神分裂症。Muotri和他的同事正在探索增加複雜性的方法,可能是通過增加更多類型的細胞或血液供應。科學家們正在刺激這些類器官,傳遞類似於神經元可能從其他大腦區域或外部世界接收到的信號。
 
總結,Muotri表示,目前仍在非常原始階段的研究,如果有證據證明類器官變得已經自我意識時,基於倫理道德考量,他會考慮停止該項目研究。(1250字;圖1)
 
 
參考資料:
Lab-grown ‘mini brains’ produce electrical patterns that resemble those of premature babies. Nature News, 2018/11/15.
微型人造大腦首次產生腦電波信號,神經元或已建立數十億個連接。麻省理工科技評論,2019/9/8.
 
 

 
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