美国留学

科学家正在培养培养皿中的“迷你大脑”（也称为脑器官），希望通过这些脑神经细胞的这些簇模拟某些脑功能，并加深并改变我们对脑神经发育和疾病的理解。他们努力使它们更像人的大脑，并且近年来取得了特别快的进步，并发现了一些令人惊讶的现象，例如在体外自发刺激中生长的神经元，这是神经元在人脑中成长和建立新联系的方式之一；在脑器官中观察到了与早产婴儿相似的活性脑波，在整个大脑中是协调的电活动，这种脑协调的电活动是大脑的有意识特征之一。因此，一个问题变得紧迫，这些大脑器官是否最终会发展意识？科学家正在寻找答案。 |撰写肖在1980年代，美国哲学家希拉里·普特南（Hillary Putnam）提出了著名的“大脑”思想实验。在不到半个世纪的时间里，生物学家能够培养实验室菜肴中——脑官的“迷你大脑”的现实版本。尽管这是只有几毫米宽的脑神经细胞簇，但它可以模拟某些大脑功能。而且，我们很快就面临着一个重要的问题：这样的脑器官会产生意识吗？脑器官研究迅速发展。器官也称为微孔。顾名思义，它们是类似于真实器官的迷你模型。它们是通过体外培养多能干细胞或成年细胞来自组织的，形成，与人体器官的结构高度相似，可以再现模仿器官的某些功能。器官的起源可以追溯到1907年。北卡罗来纳大学动物学教授H. V. Wilson发表了一篇论文，揭示了用机械手段分离的海绵细胞可以重新组并自组织为具有正常寿命功能的新样带。到1950年代，其他科学家使用其他动物细胞进行相同的实验，表明脊椎动物细胞具有自组织的能力，从而为未来的器官培养技术的必不可少和重要特征奠定了基础：自组织能力就像结束细胞一样。只要提供适当的培养环境，细胞就会履行自己的职责并自行形成器官。干细胞技术是器官繁荣的另一个关键。在1980年代，前苏联科学家A. J. Friedenstein的团队进行了一系列尖端实验，并在骨髓中发现了一种正源性干细胞或骨髓基质干细胞，可以通过体内实验产生各种骨骼组织。在1990年代，美国Case Western Reserve University的生物学教授Arnold Caplan将其更名为中充质干细胞（MSC），最终被学术界广泛接受。事实证明，MSC是具有自我更新和多向分化能力的多能干细胞。它可以转换为各种细胞类型，并具有广泛的临床应用值。图像来源：皮克斯贝（Pixabay）也在1980年代，威斯康星大学麦迪逊分校的发展生物学家詹姆斯·汤姆森（James Thomson）教授也将自己致力于这一领域，以探索灵长类动物中干细胞的潜力。直到1998年，他一直使用捐赠的人类胚胎来构建世界上第一个人类胚胎干细胞系。 2007年，他与日本京都大学的Shinya Yamanaka合作，成功地诱导人类成人细胞成多能干细胞（IPSC）。 IPSC细胞具有体外无限增殖的潜力，该细胞不仅表达了胚胎干细胞中的干细胞标记，而且有可能分化为三个生殖细胞或组织。

在这一点上，一切都准备就绪。自组织特征的快速发展和干细胞场将新的活力注入了器官研究。 21世纪的前十年看到了21世纪10周年的开花结果：肝癌[11]，肠道器官[12]，视网膜，前列腺，肺，肾脏，乳房，乳腺，脑形类器官等。 2013年，Ordansoid被《 《科学》杂志》（）杂志评为年度十大技术之一。另外10年后，在2023年“世界上十大突破性技术”中的《麻省理工科技评论》预测中，可以预测，随着研究人员探索如何在未来10 - 15年的工厂制造技术中从头开始设计复杂的组织和培养工厂的定制器官。在众多类器官中，脑类器官特别出色。数百年来，揭开人类脑发育和神经疾病的奥秘一直是脑科学和医学领域的主要挑战。学术界已经做出了各种努力，不仅建立了各种内部和外部细胞和动物模型，而且还试图使用二维方法来培养人脑神经元来分析相关疾病发生的机制。但是，对于动物模型，由于物种差异，实验室模型动物脑模型无法完全模拟人脑的复杂性，并且实验结果可能不完全适用于人脑。在培养皿中生长的二维神经元的空间结构，细胞类型的复杂性，相互作用和微环境也远非三维人脑。脑器官只是弥补上述缺陷。 2008年，日本干细胞生物学家Yoshiki Sasai团队发现，可以在源自干细胞的自发组织（包括皮质祖细胞和功能性神经元）的神经球中产生皮质样结构。这是第一个主要的脑器官模型。 2013年，英国剑桥大学的开发生物学家奥地利科学学院的分子生物技术研究所的JrgenKnoblich和Madeline Lancaster（Madeline Lancaster）发表了一篇论文，该论文在《自然》（）上发表了一篇论文，报告了第一个三维脑体源自人素质的人素质的脑状细胞。该团队使用生物凝胶基质凝胶模拟大脑周围的组织，并使用旋转的生物反应器来帮助营养吸收和氧扩散。在这种连续的三维悬浮培养物中，促进神经发育的生长因子被添加到这种连续的三维悬浮培养中，最后获得了进一步改进的脑类器官培养，其中包含多个独立和相互依存的大脑区域结构，类似于前脑，类似于前脑的脉络膜，脉络膜丛，大脑的脑部，近脑叶叶。特异性。他们结合了不同的小分子和生长因子，以成功地获得包括中脑，丘脑，小脑，纹状体和其他脑器官在内的脑官。一些科学家试图组装两个甚至多个脑器官，以形成“组合”，以进一步模拟在实际情况下人类脑发育和神经元迁移等过程。例如，2019年发表在杂志《细胞干细胞》（）杂志上的论文将丘脑类器官与皮质器官融合在一起，以模拟丘脑- 皮层之间的双向投影过程。除了组装多个大脑区域外，研究还组装了脑官和非肌器官（例如肌肉组织），以观察神经对其他组织的主要作用，并在实际人类中获得了相似的结果。脑器官技术发展的简要图，来源：10.1038/s41392-022-01024-9与实际脑的差异实际上，脑类器官只有几毫米宽，并且是类似于大脑的细胞。作为在实验室中种植的迷你模型，它具有其他大脑研究方法没有的优点。例如，将电极连接到脑器官时，它会触发神经元之间的信号传递，并自发地模仿真实的大脑。

那么，脑器官是真实大脑的微型版本吗？事实并非如此。当前的大脑器官与真实的大脑不完全匹配。首先，脑官的最重要的缺点是它们在生长到几毫米时就停止生长，因为没有血管提供氧气和养分。与天然生物组织不同，脑器官的生长取决于渗透到培养皿中的营养溶液。生长到一定尺寸后，一旦营养不足，生长就会停止，并且中心的细胞开始死亡，不幸的是在它们像真实大脑一样死亡。因此，团队尝试了每种方法在脑官体中种植血管，或者培养血管类器官，并将其与脑官融合，或者在脑器官中人为开放的通道，以便将更多的营养溶液注入其中，从而产生更成熟的突触。其次，与真实的大脑不同，大脑器官缺乏周围环境的感知输入，而感知输入是脑电路发展的必不可少的钥匙之一。脑器官没有眼睛可以看见，没有耳朵听，没有鼻子可以识别气味，也没有嘴巴来品尝味道。没有感知输入的情况下，培养皿中隔离的脑器官不能独立编码经验和信息。该论文在2020年的《自然》杂志上发表，提出了相对限制的观点，表明当前广泛使用的脑器官模型无法复制真正的脑发育和组织的基本特征，更不用说模拟复杂的脑部疾病所需的复杂脑电路和正常的认知。研究人员背后的一个原因发现，器官细胞的“身份危机”：脑类细胞细胞不能正常区分为独特的细胞亚型，并且在完全不同类型的细胞中可以找到各种基因，从而导致发育程序变得困惑。另一个原因是实验室培养方法会导致细胞的“高应激”：所有脑器官模型表达异常高的细胞应激反应基因，导致异常细胞行为并产生异常的蛋白质，最终导致无法通过器官细胞正常发展。真实大脑的开发过程就像交响曲一样，同时演奏了各种乐器，他们在指挥家的协调下相互合作，以解释美丽而和谐的复杂运动。类器官科学家刚刚迈出了第一步，以达到脑器官的这种复杂性。脑器官会产生意识吗？尽管大脑器官仍然远离真实的大脑，但这并不能阻止科学家提前思考：“培养皿中的大脑样”最终会产生意识吗？根据当前的研究状况，大多数脑器官科学家认为，脑器官不会也不能发展意识形式。兰开斯特（Lancaster）是第一个培养脑器官的人，他认为当前的脑器官仍然太原始，无法产生意识，并且缺乏创造复杂的EEG模式所需的解剖结构。尽管大脑器官“可以在没有投入和输出的情况下相互交流，但这并不一定意味着与人类思想和意识相似的任何状态。”在兰开斯特和大多数研究人员的观点中，“使死猪大脑更有可能产生意识，而不是脑官。今年6月，加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的神经科学家肯尼斯·科西克（Kenneth Kosik）在《 《模式》杂志上发表了一篇意见文章，该文章提出脑器官的研究可能最终在实验室中提高意识，但这种可能性并不存在基于当前技术甚至将来的未来。首先，如上所述，尽管无法忽略脑器官的缺陷表明它们尚未符合意识的任何操作定义，但仍然存在许多科学家需要克服克服的障碍。

现在讨论器官是否会提高意识还为时过早。其次，哲学家和科学家一直在不断探索数千年来的“意识是什么”的问题，理论变化了，并且仍然缺乏公认的定义。现代科学将意识包括在科学问题的类别中。从神经机制的角度来看，它可以分为四类理论：高级理论（热），全球神经工作空间理论（GNWT），综合信息理论（IIT）以及再入和预处理理论。这些理论不仅探讨了大脑周围的意识问题，而且还强调了受试者的身体和环境之间相互作用的重要性，影响着意识产生所需的各种能力：表示，感觉，感知，感知等。大脑器官最明显的特征之一是它与身体完全分离，它是否是运动或感知的任何物理经验。尽管实验表明，脑器官的神经排放活性类似于与脑部编码经验有关的模式，但仍然存在一个问题：可以编码经验但没有经验史的框架（脑类动物）能产生意识吗？没有内容，意识会存在吗？早在2022年，Kosik就在杂志上发表了一篇很长的文章，即脑器官没有意识的重要原因是它们没有抽象提取的核心特性。意识需要一个抽象过程，这是基于我们对感官世界的印象与运动反馈之间的相关性。当我们在餐桌上看到红色苹果时，将触发以下过程：物体反射的光激活视网膜中的光感受器，并将信号传输到大脑；该信号包含有关对象的颜色，大小和环境的丰富信息。经过数年的世界经验，已经产生了与“红色”和“苹果”一词的两个概念相对应的排放模式，我们最终“意识到”红苹果放在桌子上。但是，脑类器官的神经排出活性与现实中的任何事物无关。当然，一些科学家也持积极意见。英国苏塞克斯大学的认知神经科学家阿尼尔·塞斯（Anil Seth）在《自然》的播客中说，他不排除产生意识的可能性。随着脑器官的复杂性继续增加与人脑的相似性，即使结构并不完全等于人脑，它们完全有意识的经历。尽管大多数科学家持负面观点，但一些有趣的实验表明，意识的基本要素可能逐渐出现。在加州大学圣地亚哥分校神经科学家Alysson Muotri的实验室中，有数百种培养皿3——，里面有芝麻尺寸的脑类动物。他使用了各种不寻常的方法来操纵脑器官，而实验结果之一引起了广泛的关注。 2019年，穆特里（Moutri）的团队发表了一篇有关《细胞干细胞》的论文，以创建产生协调活性波的脑类器官，类似于早产婴儿大脑中的主动脑波。这种全脑协调的电活动是大脑的有意识特征之一，因此团队认为大脑类器官基本上会模拟人脑的早期发育过程。但是，对此结果也有疑问，主要是因为类似于早产婴儿的脑波并不意味着可以将脑器官等同于婴儿的大脑。此外，婴儿的脑波与成年人的波浪不同，并且经常表现出非常混乱和不规则的波动。 Muotri实验室中的一盘脑器官，资料来源：David Poller/Zuma Wire，通过Alamy Live News在同年通过Alamy Live News，京都大学的Hideya Sakaguchi Team在杂志上报道了《干细胞报告》杂志，以成功地可视化Cortical Spheres中各个神经元之间的网络活动和连接。

该团队检测到钙离子活性的动态变化，并发现能够将自己组织成簇并与附近其他簇形成网络的细胞之间的全面活性。同步神经活动的表现可以用作各种相关大脑功能（包括记忆）的基础。该研究发现的另一个重点是，体外生长的神经元是自发的兴奋，这是神经元在人脑中成长和建立新连接的方式之一。学术界对意识问题有自己的看法，但是科学家们也意识到，创建意识体系比定义要容易得多。因此，大脑器官研究也强调了一个盲点：科学家尚未就定义和衡量意识的一致方法达成共识。甚至Muotri本人也承认，他不知道要使用哪种定义来确定器官是否达到意识状态。因此，脑器官是否已成为对科学研究人员的个人理论偏好，这将影响个人研究方法和目的。因此，为未来做准备。 Anil集合提出，当没有明确的方法来评估器官意识状态时，有必要抢占道德框架。美国埃默里大学（Emory University）神经伦理学计划的主任Karen Rommelfanger也同意，脑官和其他身体类正器官研究的差异不仅涉及生物学方面，还涉及道德方面。意大利帕维亚大学的安德里亚·拉瓦扎（Andrea Lavazza）认为，将来，类器官可能会表现出体验基本感觉，例如疼痛，从而表现出感知甚至基本的意识形式。这要求我们考虑是否应给出脑官体的道德状态，以及应引入哪些局限性来调节研究。

[1] https://Onlineliribrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jez.1400090305 [2] 3https://WW.360ZHYX.com/home-research-research-index-index-rid-74706.shtml [3] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-2184.1987.tb01309.x [4] https://onlinelelibrary.wiley.com/doi/10.1002/1002/9780470470470513637.5] https://linkingHub.elsevier.com/retrieve/pii/s1934590908001148 [6] https://Onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jor.1002/jor.1100090504 [7] https://www.science.org/doi/10.1126/science.284.5411.143 [8] 3https://www.science.org/doi/10.1126/science.282.5391.1145 [9] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%AF%B1B1%E5%AF%BC%E6%80%A7%E5%MA4%9A%9A%E83%BD%BD%B9%B2%B2%BBBBBBBBBBBB%86； https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ten.2006.12.1627 [12] 3https://www.nature.com/articles/articles/nature07935 [13] 3https://wwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwwww.sience一下一下， https://.Thepaper.cn/baijiahao_20603927 [15] https://WWW.CELL.C.COLL.COLL.COLL.COLL.COLL.COLL.COLL-STEM-CELL/FULLTEXT/FULLTEXT/S1934-5909(08)00455-4 _returnurl=https3A2F2flinkingHub.elsevier.com2fretrieve2FPII2FS19345909080045543fshowall3Dtrue [16] https://www.cell.com/cms/10.1016/j.stem.2018.12.015/attachment/3c78ab81-5238-4756-ace66-4b73fa22929292d6/mmmc1.pdf [18] https://wwww.cell.com/cell/fulltext/s0092-8674(20)31534-8 _returnurl=https3A2F2fflinkingHub.elsevier.elsevier.com2fretrieve2FPII2FPII2FS002FS009286742031215342RUE3FOFFOF https://www.nature.com/articles/S41392-022-01024-9#CITEAS [20] 3http://www.news.cns.cn/health/health/2023-02/02/03/c_12117211724659.htm [21] https://www.livescience.com/health/neuroscience/we-can-t-answer-these-questions-questions-neuroscientist-kenneth-kenneth-kenth-kenth-kosik-whether-whether-lab-brab-brain-brains-will-achieve-consiscements [22] https://www.ucsf.edu/news/2020/01/416526/not-brains-dish-cerebral-organoids-fluunk-comporparison-developing-nervous-system [24] https://theconversation.com/brain-organoids-help-neuroscientists-neuroscientist-brain-brain-brain-development-tevelopment-teveloct-and-arent-perfect-Matche s-for-real-brains-130178::Text=starmoid20cells20级20个均20 dondon't，不是20 frefected20in20英寸2020 the20型。[25] https://www.kepuchina.cn/more/202011/t20201117_2842435.shtml [26] 3https://wwwww.cell.cell.com/patterns/patterns/paterns/fulltext/s266666666-3899(24)24)00136-36-3#24)00136-3#2027] https://nautil.us/what-thin-tiny-cluster-of-brain-cells-in-my-lab-are-telling-me-246650/其他[28] 3https://www.nature.com/articles/articles/d41586-020-020-020-020-03033-6#mo0 [29] https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/s1934-5909(19)30337-6 [30] 3https://wwwwwww.cell.cy/stem-cell-reports/sem-cell-reports/fullltext/s2213-6711(1930197-330197-3 [31] https://link.springer.com/article/10.1007/s40592-020-00116-y

资料来源：购买PU编辑器：Tingyun

转载的内容仅代表作者的观点，并不代表中国科学院物理研究所的立场。如果您需要重印，请联系原始的公共帐户。