新智元报道

来源：Nature、斯坦福官网、哈佛大学 Broad 学院官网

作者：闻菲

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　　【新智元导读】本周发表于《自然》的两篇论文向理解人类大脑神经网络迈出了重要一步。斯坦福大学的研究人员在培养皿中构建了神经元三维模型，并将两种不同脑区不同类型的细胞融合在一起，首次观察到工作中的人脑神经回路。哈佛大学和 MIT 的合作研究则描述了在培养皿中让“迷你大脑”发育 9 个多月。两项研究都有助于理解人类大脑发育及结构，相信对人工智能研究也有一定的启发。

　　科学家对人类大脑早期发育过程知之甚少。从 2013 年开始，神经科学家一直在使用由 iPS 细胞（诱导多能干细胞，详见文末注释）诱导而成的神经元研究人类大脑的发育过程，也即在培养皿中培育模拟全脑结构的“迷你大脑”，这些迷你大脑一般只有豌豆大小，功能也远不及真正的人类大脑。

　　2017 年 4 月 26 日，《自然》发表了两项研究，使用创新的技术，在现有基础上大幅推进了相关的研究方法。在第一篇论文《光敏人脑组织中的细胞多样性和网络动态》（Cell persity and network dynamics in photosensitive human brain organoids），哈佛大学的 Paula Arlotta 等人描述了“迷你大脑”（下统称为“有机体”）的发育过程。

　　第二篇论文《组装功能集成的人类前脑球体》（Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids），斯坦福大学的 Sergiu Pasca 等人使用神经球（neural spheroid）——每个组织中含有超过 100 万个神经元的组织球，研究了对大脑皮质发育的两个关键脑区。

　　这两项研究都对理解人类大脑神经元发育做出了很大的贡献，神经元发育初期的灵活性以及多样性，神经元之间如何连接，相信对人工智能研究也有一定的启发。

　　业界评论：首次观察到工作中的人脑神经回路

　　弗朗西斯·克里克研究所分子神经生物学小组组长兼分部主任 Francois Guillemot 博士评论称：这还是第一次有人观察到工作中的人脑神经回路的具体情况。

　　由于许多神经精神疾病和障碍受遗传影响，所以在标准动物模型中难以对其进行研究。因此，这类疾病必须使用来自患者的细胞进行建模，因为这是获得该患者基因组的唯一方法。哈佛&MIT和斯坦福的研究表明，现在科学家可以使用 iPSC 在培养皿中对人脑建模。这不但扩大了研究范围，增强了研究获得的信息量，也减少了研究对患者的负担。当然，使用现有的动物细胞建模方法也不会被取代，新方法会和以前的方法更好地配合，拓展我们对人类大脑构造的理解。

　　没有参与者两项研究的伦敦帝国学院脑科学系 Paul Matthews 教授在 Science Media Centre 网站发表评论称，这两项研究“描述了在生成自组装脑组织（brain organoid）方面最基本的重要方法的持续进步……这令人兴奋！类似人脑微小区域的活体的迷你（microscopic）结构已经在实验室里培养出来了……这些研究一起为更好地了解人类大脑的发育情况开辟了许多机会，创造出比现有的动物模型更利于研究的新型脑疾病模型，加速新药的开发。”

　　同样没有参与研究的 Cardiff University 神经科学与精神病讲师 Dean Burnett 博士也在 Science Media Centre 网站发表评论表示，

　　“这两项研究都采用了创新且大有应用潜力的技术。不论是从大脑的各个不同部分重新创建神经网络，从外部利用光信号操纵这些网络（注释：哈佛那项研究中，组织体生成了各种视网膜细胞，因此可以利用光线操控神经元网络的活动）并且能看到实际发生了什么，还是实时监测遗传异常对神经网络发育的影响，这些方法有很大的潜力拓展我们对人类大脑形成、工作和出错的理解。”

　　不过，Burnett 也指出，虽然有用，但在实验室里构建的神经网络，其复杂程度和功能都无法与真正的人类大脑相比。正常工作的人脑不只有一个神经网络，大多数神经系统疾病和障碍也涉及多个脑区和细胞的异常行为。Burnett 很形象地总结说：“理解这两项研究有助于我们理解整个大脑，但就像学会字母表是写小说的基础”，我们距离理解人类大脑还有很长的路要走。”

　　斯坦福研究：将两个脑区不同细胞融合在一起

　　下面我们来具体看一看这两项研究。研究培育的组织结构是不同的，哈佛 Arlotta 等人研究的是全脑结构，关注神经元细胞的多样性。斯坦福 Pasca 等人则是让 iPSC 生成特定脑区的有机体（神经球），并把两个不同的神经球体融合在了一起。

　　首先看斯坦福的研究。

　　根据斯坦福大学官方网站的报道，实验中，研究人员将他们培养的神经球分成了两批，并分别诱导让其发育成人脑不同区域的细胞。一批是含有谷氨酸能神经元的皮质类神经球（注释：大脑皮质属于端脑，是人脑和整個神经系统演化上出现最晚、功能最高的一部分。另一批则是类似新皮层神经球（GABA 能细胞发源的脑区）。

　　简单说，可以粗略理解为研究人员用 iPSC 诱导培养出两批不同的神经球，第一批跟精神分裂症有关（紫色），第二批则与焦虑、躁狂和癫痫有关（绿色）。

　　然后，研究人员将这两种不同类型的神经球放在一起。不出三天，两个球体就发生了融合，其中一个球体的 GABA 能神经元开始迁移到富含谷氨酸能神经元的球体当中。研究人员发现，这种迁移模式是阶段性的：GABA 能神经元先朝着目标球体移动一段时间，然后停止，隔一段时间后再次开始移动/侵袭。

　　代表两个不同大脑区域的神经球在培养皿中融合，绿色球体（类似 GABA 能细胞发源的新皮层）的神经元迁移到另一个球体里面，与那里原有的神经元形成连接。来源：Pasca lab

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