培养皿“种出”脑世界

大家好我叫刘京京今年7岁我是男孩家住江西萍乡我喜欢吃饼干谢谢大家44岁的刘军明大声说道身旁的刘京京面无表情地跟着爸爸复述声音微小时常忘词

5年前被确诊为自闭症的京京生活在自己的世界里他会在公交车上连续大笑50分钟也会把屎尿拉在裤子上他至今不能上幼儿园每天在爸爸的陪同下去康复中心接受治疗

根据世界卫生组织公布的数据全球各类精神疾病患者总数高达4.5亿每160个儿童中就有一位像京京这样的自闭症患者

既然他不知道我们的世界如何为什么我不能去他的世界呢全职陪护的刘军明诉说着自己的心愿就在父亲节前不久大洋彼岸的科学家们正在通过培养皿这么做

5月25日斯坦福大学帕斯卡实验室的人造大脑皮层球状体研究发表于《自然-方法》杂志在美国国立卫生研究院资助下斯坦福大学医学院的研究员们种下皮肤细胞7个星期后酷似人类大脑皮层的组织在培养皿里长了出来

在这个直径只有5毫米的球状体里数以百万计的神经元已经成功联网电波和讯号通过联结的突触一刻不停地奔腾着成长过程中产生的基因表达已与正在发育中的胚胎大脑皮层极其相似

长久以来神经学家们在老鼠的脑子里寻找着人类精神病的症结屡屡碰壁后他们决定种一个人脑做向导寻找藏身其中的病灶

我是个医生我们能够为精神疾病患者提供的治疗意见通常十分有限领导该研究的精神病与行为科学副教授赛尔久帕斯卡说道这一研究具有为精神疾病及其治疗提供新见解的潜力

在培养皿里种一个大脑皮层类器官现场重播胚胎里的生命历程

刘军明不知道儿子的大脑里正在发生什么一种似乎不可逾越的界限挡在男孩儿与外界之间他甚至尝试着封闭自己的生活去向儿子靠拢

这种无力感同样困扰着精神科医生长久以来医学家们只能通过磁共振成像一窥脑活动通过尸检了解脑结构通过动物实验推导人脑的机能

而人类精密的大脑如同颅腔里的宇宙数以百亿计的神经元伸展着突触在胶质细胞的簇拥下精巧地聚居在不同的区域里创造思绪指导行为

转战基础研究以前罗马尼亚医师帕斯卡曾与自闭症在临床领域斗智斗勇却深感挫败去年5月斯坦福大学成立帕斯卡实验室这位33岁的天才科学家作出大胆的决定用患者细胞在培养皿里种一个大脑皮层类器官把大脑神秘的成长工作生病历程进行现场重播

7批细胞从5名捐赠者的皮肤上提取下来在平皿中被诱导成为能长成任何细胞的多能干细胞又进而诱导成脑细胞而后这些种子被完整地种进了一种特殊的培养皿细胞无法在平面上附着只能自谋出路

它们很快开始发芽仅仅在几个小时里原本在平面上肩并肩的细胞们开始叠罗汉并且逐渐形成了球面在生长元素和小分子的滋养下它们自身的角色也在发生变化

有的张牙舞爪身后拖着长长的尾巴这是脑中精英神经元它们通过突触互相连接构成纠缠的枝干有的呈现出简洁的星形叶片般乖巧地围在神经元周围这是提供服务的星形胶质细胞全权管理吃喝打扫跑腿送信

同时造出神经元和星形胶质细胞是极具挑战性的帕斯卡欣喜地说道在此前的研究中星形胶质细胞发挥着土壤的作用科学家们把神经元种子播在取自啮齿类动物或人类胚胎组织的胶质细胞上而我们系统中的神经元和胶质细胞基因相同

7个星期后种下大脑皮层的人们迎来了收获的时刻显微镜下这个直径只有5毫米的迷你大脑皮层像鸡蛋壳一样向内弯曲它即将为科学家们探索2200平方厘米的大脑皮层充当向导在那140亿个神经元1000多亿个胶质细胞中的某处藏匿着神秘的精神疾病

哪怕只找到一种类型的自闭症只要找到它的信号机制确定目标找到能用在临床治疗上的小分子大脑侦探帕斯卡说道我都会感到高兴

2011年11月尚未组建实验室的帕斯卡与同事便在对一种自闭症亚型患者的细胞培养中发现与发育成在脑中不同位置工作的神经元不同此种自闭症患者的神经元力争上游更多地演变成准备在大脑皮层上层胼胝体工作的类型有趣的是这正是音乐家更为发达的脑部区域

当它们互相说着我被电了一下时一些精神病患的脑子正在接受电击治疗

正是那些任性的神经元把杜杜的生活扰乱了在这个自闭症儿童送给帕斯卡的画里占据图画中心的孩子头像一片漆黑眼神忧郁大脑的位置是一团凌乱的粉红色和蓝色线条一个眼睛上戴着镜头的科学家沿着梯子爬到孩子头顶正在向脑子里看

帕斯卡把图画变为现实栽下皮肤细胞7个星期以后结出了新鲜的大脑皮层他小心翼翼地切开一个果实透过显微镜看向脑子内部微小的组织上呈现出的是酷似人类大脑皮层的分层结构密密麻麻的神经元和胶质细胞排列规整组成表层深层的皮质层

这并非惊鸿一瞥研究过程和进行老鼠大脑切片研究一样没什么特别不同的是呈现显微镜下的是一片活的人脑切片

没人愿意把自己活的大脑捐出来但随着干细胞诱导技术日渐成熟研究者们可以用一份皮肤样品轻松制造出数百个人造大脑皮层球状体这些最大长到直径5毫米的类器官可以在实验室中存活9个月

该研究是平皿中的疾病项目的一部分从2011年起世界各地的科学家们开始努力把精神疾病种进平皿里2014年马萨诸塞州总医院的研究者们用患者细胞成功地种出了阿尔兹海默症并立即展开针对该病的临床试验此前在老鼠身上测试一种药物耗时一年而今研究者不无得意 我们几个月就可以测试成千上万种药物

在过去几年中这一领域出现了激动人心的进展美国国立卫生研究院精神卫生研究所主任托马斯因泽尔对人造大脑皮层球状体寄予厚望这些大脑皮层球状体能够生长到建立有功能回路的程度让建立心理疾病模型和研究病因成为可能

这在研究中尚属首次我们发现刺激切片的一边皮层活动可以在另一边被接收到帕斯卡介绍道研究发现当受到刺激的时候球体中80%的神经元能够产生神经冲动近九成神经元具有自发的神经信号并且参加了神经网络活动

可以说这个从皮肤细胞中长出来的小皮层拥有了与我们大脑皮层相似的本领建立功能回路神经元参与网络活动我们的大脑由此进行思考采取行动人造大脑皮层球状体 排列整齐的神经元们也一刻不停地在新组建起来的网络上交换着意见

当它们互相交流着我被电了一下的感受时一些精神病患的脑子正在接受电击治疗

美国国立卫生研究院精神卫生研究所网站上列举了可供精神病患者选择的治疗方式用电波磁力植入物刺激大脑是目前治疗精神疾病的终极方法病症较轻的情况下可以选用谈话等心理疗法或者进行药物治疗有的精神病患者不得不终生用药

就连从事自闭症治疗研究多年的帕斯卡也无奈地感慨医生能为精神病患者做的实在太少了

即使在税收支持保证精神病预防诊疗与康复的发达国家情况依然不乐观

帕斯卡在研究过程中结识了很多患儿家长他们中的很多人为孩子的情况自责绝大多数人和刘军明一样非常需要帮助

数据显示我国各类精神疾病患者人数在1亿人以上另有学者指出诊断与治疗的人数尚不足十分之一而在报道中精神病患者恶性伤人事件频频出现

在深圳市康宁医院医学鉴定室主任高北陵看来我国精神病患的困境更多的是社会问题重视不足认识片面及诊治精神病患者的人力物力财力不够

在美国等发达国家尽管有专门用于精神疾病预防诊治与康复的税收支持情况依然不乐观美国全国精神疾病联盟缅因州执行董事珍娜梅纳特在访谈中介绍在美国仅成年人中受精神疾病困扰的人数即达6100万其中半数以上在过去一年里没有就医

技术惠及患者之前一大批小白鼠可能会免于被精神病研究合作者神经学教授本巴雷斯认为栽种在培养皿里的大脑将取代老鼠成为新的实验品研究者对神经系统发展和致病机制的了解也将大大加深

也有人对此忧心忡忡认为科学家们在制造大脑他们没有考虑整个人脑的复杂性美国国家健康研究院心理健康中心主任托马斯因泽尔浑不在意我们要研究大脑回路的紊乱也并不需要整个大脑

尽管罐子里没有漂着时刻准备移植的大脑但在未来如同孙悟空拔一根毫毛吹出猴万个藉由我们分身有术的皮肤细胞医生可以在培养皿中测试用药效果量身定制治疗方案

这一新技术的力量和前景是巨大的巴雷斯畅想道医生可以提取病人的皮肤细胞培养大脑在模拟大脑成长的过程中发现问题并找到办法解决

人们至少可以期待未来有天像刘军明一样的父母们终于能从一只小小的培养皿里看见孩子那曾经幽深难测的世界