3D人类组织的抽搐,雪人形状的斑点并不常见,使某人的一天。

但是当斯坦福大学的Sergiu Pasca博士目睹了微小的变化他知道他的实验室已经实现了特殊的东西。你看,Blob从三个人类组织的三个实验室种植大块演变:迷你脑,迷你脊髓和迷你肌肉。在血泡孵化器中搅拌到令人毛骨悚然的人形完美,每个单独的组分都是科学天才的工作。但Pasca采取了额外的一步,在营养汤中一起腌制了三个组件。

结果是奇异,乐高的人类组织,使我们如何决定移动的基本电路。没有外部提示,当像冰淇淋一样搅拌一样,三种成分物理地连接到一个功能性的电路中。通过人工脊髓形成的信息公路的3D迷你大脑能够按需制作实验室生长的肌肉痉挛。

换句话说,如果您认为孤立的迷你大脑在正式中扮演脑内有机体漂浮在罐子里令人毛骨悚然,请升级您的噩梦。探测大脑的下一个大事是无组装浮动脑电路 - 现在将脑组织与外部输出组合。

最终目标不是吓坏人。相反,它可以重新承载我们的神经系统,从输入到输出,在培养皿的受控环境内。一种自主,活脑脊髓肌肉实体是一种宝贵的模型,用于弄清楚自己的大脑如何指导允许我们保持直立,步行或键入键盘上的复杂肌肉运动。

It’s the nexus toward more dexterous brain-machine interfaces, and a model to understand when brain-muscle connections fail—as in devastating conditions like Lou Gehrig’s disease or Parkinson’s, where people slowly lose muscle control due to the gradual death of neurons that control muscle function. Assembloids are a sort of “mini-me,” a workaround for testing potential treatments on a simple “replica” of a person rather than directly on a human.

从有机体到组合物

人类神经系统的微型片段在制作中已经很久了。

这一切都始于2014年,当时兰德琳·兰开斯特博士,然后在斯坦福的博士后,一个令人震惊的复杂在一个旋转的孵卵器里,3D复制的人类脑组织。标准的细胞培养是将脑组织磨碎,然后重建成扁平的细胞网络,与之不同的是,兰卡斯特的3D大脑类器官在再现人类大脑发育过程中令人难以置信地复杂。随后的研究进一步巩固了它们与胎儿发育中的大脑的相似之处——不仅在神经元类型上,而且在它们的连接和结构上。

随着这些迷你大脑引发电气活动的发现,生物肠道们越来越多地升高了红旗,即人脑组织的斑点 - 最多的豌豆的大小 - 如果进一步成熟,可能会出现意识意识的潜力并具有外部输入和输出。

尽管有这些顾虑,类脑器官还是迅速走红。因为它们是由人体组织组成的——通常是从真正的人类病人身上提取,然后转化成类似干细胞的状态——类器官与捐赠者拥有相同的基因组成。这使得在一个培养皿中研究诸如自闭症、精神分裂症或其他脑部疾病等令人费解的病症成为可能。更重要的是,因为它们是在实验室中培养的,所以有可能对这些微型大脑进行基因编辑,从而在寻找治愈方法时测试潜在的基因罪魁祸首。

然而,迷你大脑有一个阿基里斯的脚跟:并非所有人都是一样的。相反,取决于逆向设计的大脑区域,细胞必须被不同的化学汤的不同鸡尾酒说服并保持分离。与我们自己的发展大脑形成鲜明对比,地区通过神经网络的高速公路连接,并在串联中工作。

皮斯卡面临着问题的正面。投注大脑的自组装能力,他的团队假设它可能有可能在反射不同的大脑区域的各个迷你大脑中增长,并将它们融合到一个同步的神经元电路中以处理信息。去年,他的想法得到了报酬。

在一个令人兴奋的学习他的团队将大脑的两个独立部分变成了“斑点”,一个代表大脑皮层,另一个是大脑深处控制奖励和运动的区域,叫做纹状体。令人震惊的是,当把这两团人脑组织放在一起时,它们就会融合成一对功能性的夫妇,自动建立起神经高速公路,形成了人类大脑最复杂的再现之一。帕斯卡将这个组织工程命名为crème-de-la-crème“assembloids”,这是“assemble”和“organoids”的合成词。

“我们已经证明,区域化脑球体可以组合在一起以形成融合结构,称为脑组合物,”当时的帕斯卡。“(它们)可以用来研究以前无法接触到的发育过程。”

如果可以在实验室培育的大脑中建立这样的电路,为什么不能在更大的神经回路中使用呢?

Assembloids、组装

这项新研究就是这个想法的成果。

该团队从8名健康人的皮肤细胞开始,将其转化为类似干细胞的状态,称为iPSCs。在每个细胞都能反映其原始宿主的基因组成之前,这些细胞一直被吹捧为个性化医疗的突破。

通过使用两种不同的鸡尾酒,研究小组利用这些诱导多能干细胞生成了微型大脑和微型脊髓。在三天的时间里,这两个部件被“近距离”地放置在一个实验室的培养箱里,以一种复杂的舞蹈形式在彼此周围轻轻地漂浮。令研究小组惊讶的是,在使用在黑暗中发光的示踪剂的显微镜下,他们看到了树枝的高速公路从一个有机体延伸到另一个有机体,就像紧紧拥抱在一起的手臂。当受到电流刺激时,这些连接就会启动,这表明这些连接不仅仅是为了展示——它们也有传递信息的能力。

“我们制作了部分,”Pasca说,“但他们知道如何把自己放在一起。”

然后来了Ménageàrois。一旦迷你脑和脊髓形成了双层冰淇淋勺,球队将它们覆盖到一层肌肉细胞上 - 单独培养成人样肌肉结构。最终结果是有点奇怪的雪人,由三个奇怪的球形球制成。

然而,反对所有赔率,脑脊髓组件达到了实验室生长的肌肉。使用各种工具,包括测量肌肉收缩,球队发现,这种情况下,像弗兰肯斯坦一样的雪人能够使肌肉成分合同 - 以类似于我们的肌肉在需要时抽搐的方式。

“骨骼肌通常不会自己收缩,”帕斯卡说。“在大脑皮层刺激后,在实验室培养皿中看到的第一次抽搐是不会很快被忘记的。”

当测试寿命时,这个装置可以持续10周,没有任何故障。这个隔离电路不是一次性的奇迹,每个元件连接的时间越长,它的工作性能就越好。

帕斯卡并不是第一个给小型大脑提供输出通道的人。去年,脑硬质剂女王,兰卡斯特,切入成熟的迷你大脑进入切片,然后通过培养的脊髓连接到肌肉组织。组件是一个加紧,表明它可以自动缝合多个神经连接的结构,例如脑和肌肉,SAN切片。

问题是当这些组件变得更加复杂时会发生什么,边缘更靠近固有的接线,从而为我们的运动提供动力。Pasca的研究目标输出,但输入呢?我们是否可以将输入通道(如视网膜细胞)连接到具有初始视觉皮层的迷你大脑来处理这些示例?毕竟,学习依赖于我们的世界的例子,该世界在计算电路内处理并作为输出而递送 - 潜在的肌肉收缩。

需要澄清的是,很少有人会质疑今天的迷你大脑能够拥有任何形式的意识或意识。但随着迷你大脑变得越来越复杂,我们在什么程度上可以把它们视为一种人工智能,能够计算,甚至能够模仿思维?我们还没有答案,但辩论正在进行。

图片来源:christitzeimaging.com/shutterstock.com.

范雪来是一位神经科学家出身的科学作家。她在不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)完成了神经科学博士学位,在那里她开发了神经退化的新疗法。在研究生物大脑时,她开始对人工智能和所有生物技术着迷。毕业后,她搬到了加州大学旧金山分校,研究以血液为基础的因素,使衰老的大脑恢复活力。她是……

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