人鼠混合大脑出现了！斯坦福大学7年研究登Nature

alex 2022-10-13 13:04:24 来源：量子位

Alex 鱼羊 发自 凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

来自人类的类脑器官，现已在科学家手里和老鼠大脑成功结合。

并且是碰碰老鼠胡须，这些脑细胞能正常做出反应的那种。

这项来自斯坦福的研究结果，发表在最新一期Nature上。

这种“人鼠混合大脑”的结合程度有多深？

用通讯作者、斯坦福神经科学家帕斯卡（Sergiu Pasca）自己的话说：

就像是在电路上添加了新的晶体管。

这究竟是怎么一回事？

将人的类脑组织融入大鼠大脑

要说清楚这件事，还得从类器官讲起。

类器官是利用胚胎干细胞、诱导多功能干细胞等人体干细胞培养得到的细胞集合。

近年来，类器官一直是神经科学领域的一大学术热点，原因是这种三维微器官包含其代表器官的一些关键特性，可以用来体外模拟人类的发育和疾病。

换句话说，借助类器官，科学家们可以在培养皿里直接观察到肾脏、肠道，甚至大脑的各种结构，来探寻背后的神经机制。

方便归方便，但类器官也存在不少局限。

比如，类脑器官虽然能模仿人类大脑，但却很难像真实大脑那样建立神经连接，也无法与控制行为的其他神经回路整合到一起。

斯坦福大学的研究人员们，旨在突破这一限制。

他们的实验方案是：

首先，用人类干细胞培养出类似大脑皮层的类脑结构。

然后，将其移植到刚出生2-3天的无胸腺大鼠的大脑体感皮层之中。大鼠的这个脑区会接收来自胡须和其他感觉器官的信号，并传递给其他大脑区域。

参与实验的新生大鼠数量约为100只。而它们被植入类脑器官的部位都一致，以便科学家能更好地对其发育情况进行监控。

一开始，这些人脑组织大约只有5mm长，但6个月之后，它们占据了大鼠大脑半球的1/3。

而这些人脑组织之所以能够生长，是因为大鼠的内皮细胞很快就进入其中，形成了血管。血管为人体细胞提供了营养和信号物质，并带走代谢废物。

研究者们还观察到，大鼠大脑中的常驻免疫细胞也出现在了移植的人脑组织中。

不仅如此，实验结果显示，来自类器官的神经元成功在大鼠大脑中建立了工作机制，和大鼠自身的神经回路整合到了一起。

也就是说，这些人脑组织已经和大鼠大脑混合，成为了它的一部分！

到了这个时候，研究者们发现，触碰老鼠的胡须，其体感皮层中的人类细胞也会作出反应。

此外，研究人员还特殊处理了一些人脑组织，使得单个神经元可以被特定频率的蓝光激活。

被植入这些人脑组织的大鼠，参与了一项新的训练：它们脑中被植入了超薄光纤，当这些光纤发出蓝光时，它们就能在水龙头里喝到水。

结果显示，这些大鼠学会了把蓝光和喝水联系起来。这表明植入的人脑细胞已经真正参与了大鼠大脑的工作。

值得注意的是，研究人员提到，移植到大鼠脑中的类脑器官，在形态和功能上要比体外培养的类脑器官更为复杂。

有何意义？

科学家们表示，希望通过这样的实验来进一步探索人类的神经退行性疾病和精神疾病等，然后开发出一些行之有效的新药物。

我们平时常听说的癫痫、老年痴呆、帕金森综合征，还有肌萎缩性侧索硬化等，都属于神经退行性疾病。

为了深入了解神经相关疾病患者的脑组织活动情况，这项研究共持续了7年。

在其中一项实验中，研究者把由蒂莫西综合征（Timothy Syndrome，TS）患者的干细胞培养出的类脑器官植入了老鼠大脑的一侧，并在另一次植入健康人的类脑器官来作对比。

（ 蒂莫西综合征是一种罕见遗传病，患者容易心率失常）

在植入老鼠体内五到六个月后，他们观察发现，患病细胞会更小，且参与的电活动与健康脑细胞截然不同。

而且TS神经元末端的树突形态发生了明显改变。

进一步分析发现，在相似的分化阶段，大鼠脑中的TS t-hCO的树突分支模式异常，而在体外培养的TS t-hCO的树突分支则没有表现出这种情况。

研究者指出，大鼠脑中的分支模式异常，与他们此前关于这种病的研究结果一致。

由此可见，通过将类人脑植入大鼠体内来揭示疾病表型，效果相当不错。

总的来说，这项研究引起了不少生物和医学界人士的关注。

英国剑桥医学研究委员会成员玛德琳·兰卡斯特（Madeline A. Lancaster）评价道：

该研究整体颇具进步意义，为了解脑细胞功能障碍的疾病提供了一种新方法。

值得注意的是，这项研究也引发了新的伦理问题，外界担忧这些“人+其他生物杂交体”会严重损害动物福利，甚至搞出“鼠人”来。

不过其实目前看来，没有发生什么大问题，老鼠也没有因为植入类人脑而变得更聪明。

美国国家科学、工程和医学研究院去年发布的一份报告指出：“源自人类的类脑器官仍然太原始，无法形成意识或人类智力。”

本文通讯作者帕斯卡教授则表示，从他们的实验过程和结果来看，大鼠们对人体的类脑器官耐受性很好，移植没有造成癫痫等问题。

尽管如此，学界还是不乏质疑的声音。

美国国家科学院小组成员Arlotta就持不同看法，她觉得随着科学的发展，很可能会有新问题产生。

她表示，“人类器官与其他生物体结合”的话题应被持续关注，绝不能只讨论一次就不管了。”

尤其对猴子、猩猩等灵长类动物来说，它们与人类更相似，所以人的类脑器官很可能在它们体内发育得更成熟，对动物行为产生更大影响。

对此，帕斯卡教授称，他们之后不会进行此类研究，也不鼓励其他人做这样的研究。

另外，也有研究人员指出了这项研究的局限性：

虽然把“迷你人脑”植入大鼠体内的结果，比此前其他动物实验更好，但由于存在时空和跨物种限制等，即使在发育早期阶段移植，也无法形成高还原性的人类神经回路。

UCLA的生医学和干细胞研究中心成员Bennett Novitch也评价道：

使用植入人脑组织的大鼠来测试药物，对小型研究来说可行，但对制药公司来说仍不可行，因为需要速度和规模。

研究团队

开展本研究的团队来自斯坦福大学精神病学和行为科学系，以及比较医学系。

共同一作为：Omer Revah，Felicity Gore，和Kevin W. Kelly。

Omer Revah，希伯来大学生理学和计算神经科学博士，博士毕业后前往斯坦福大学精神病学和行为科学系担任博士后研究人员，现任希伯来大学兽医学院助理教授。

Felicity Gore，现在斯坦福大学生物工程系从事研究工作。

Kevin W. Kelly，目前在斯坦福精神病学和行为科学系从事神经科学和基因组学方面的研究工作。

通讯作者帕斯卡（Sergiu Pasca），现任斯坦福大学精神病学和行为科学系教授。

论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05277-w
参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/d41586-022-03238-x
[2]https://www.washingtonpost.com/science/2022/10/12/brain-tissue-rats-stanford/