机器学习算法无法区分这些实验室里的小大脑和早产儿

大脑类器官——也被称为微型大脑——是三维细胞模型，在实验室中代表了人类大脑的各个方面。脑类器官帮助研究人员跟踪人类的发展，揭示导致疾病的分子事件和测试新的治疗方法。当然，它们不是完美的复制品。脑类器官不能复制认知功能，但研究人员可以检查类器官的物理结构或基因表达如何随着时间或病毒或药物的影响而变化。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员现在已经采取大脑瀑样更进一步，达到了前所未有的神经网络活动水平——可以被多电极阵列记录的电脉冲。利用早产三个半月的婴儿的数据，研究小组开发了一种基于脑电图模式来预测他们年龄的算法。然后算法读取实验室培养的数据大脑organoid同样的方式，并指定了他们的年龄。

9个月大的脑类器官的电脉冲模式显示出与足月(妊娠40周)早产儿相似的特征。

这些新的优化的脑类器官，描述在2019年8月29日的问题细胞干细胞，可能使研究人员有可能研究不是由明显的生理变化引起或导致的，而是涉及脑细胞网络活动紊乱的精神疾病，如自闭症或癫痫。对于这些情况，没有相关的实验室或动物模型。

加州大学圣地亚哥医学院儿科学和细胞与分子医学教授Alysson R. Muotri博士说:“一开始我们简直不敢相信——我们以为是我们的电极出了故障。”ob体育开户网址“因为这些数据非常惊人，我认为很多人对此持怀疑态度，这是可以理解的。”Muotri和Bradley Voytek博士领导了这项研究，Bradley Voytek博士是加州大学圣地亚哥分校社会科学部的认知科学副教授。

大脑的类器官构造始于一个可能令人惊讶的来源:成人皮肤样本。在实验室中，研究人员将皮肤细胞转化为诱导多能干细胞(iPSCs)。和大多数干细胞一样，通过正确的分子因子组合，诱导多能干细胞可以被定向分化成任何类型的细胞。在这种情况下，它们就变成了脑细胞——例如不同类型的神经元和胶质细胞。

在加州大学圣地亚哥分校(UC San Diego)，大脑类器官已被用于制造巴西寨卡病毒可以感染的第一个直接实验证据造成严重的出生缺陷重新利用现有的艾滋病药物，遗传神经障碍。Muotri和他的团队最近也把他们的大脑器官送到了国际空间站来测试微重力对大脑发育的影响，也许还能预测地球之外的人类生命。

在最新的研究中，Muotri和同事们优化了大脑器官构建的每一步。例如，他们从单个细胞，而不是大多数协议中使用的细胞团。他们还调整了促进脑细胞组织的因素的精确时间和浓度。他说，这不是一种单一的秘密成分或创新，而是随着时间的推移而进行的几项改进。

优化在蜂窝多样性和蜂窝网络活动方面得到了回报。例如，研究小组检测到了一种灵长类特有的神经元，称为皮质GABAergic神经元，这种神经元以前从未在实验室培养皿中产生过。据穆特里说，这些细胞是复杂神经网络的重要参与者。

为了测量细胞网络活动，研究人员在多电极阵列上培养了他们最新优化的脑类器官。电极捕捉并记录电脉冲，在脑电图中以波形和尖峰的形式显示出来。有了新方案，大脑类器官从每分钟产生3000个峰值上升到每分钟产生30万个峰值。

在人类中，随着脑细胞连接的发展，振荡会随着年龄的增长而变化。新生儿的大脑在脑电活动的尖峰之间往往有一段休息期(没有波)。随着大脑的发育，这些安静的时间会越来越短。随着时间的推移，大脑活动变得稳定，尽管水平有所不同。这些大脑振荡模式通常与人类的认知和疾病状态相关。

Muotri和他的团队比较了他们的大脑瀑样该数据收集了39名早产婴儿的567次脑电图记录，这些婴儿在怀孕24周至38周期间以及出生后几周内的脑电图。从最初的几天到九个月，大脑类器官产生了类似水平的电活动，遵循类似的模式:安静时间越少，频率越高电脉冲。

穆特里说，他经常被问到这项工作的伦理含义，比如:“我们是否离重建人类大脑太近了?”他解释说，这些大脑类器官在许多方面与人类大脑有显著的不同。例如，它们比成年人的大脑要小几倍。他们没有大脑半球或血管。它们没有被保护性的头骨包围，也没有连接到其他组织。

Muotri是加州大学圣地亚哥分校干细胞项目的负责人，也是桑福德再生医学联盟的成员，他说:“即使是在婴儿身上，它们在功能上也远远比不上一个完整的皮层。”“事实上，我们甚至还没有一种方法来测量意识或知觉。”

Muotri的大脑类器官可以在实验室中存活数年，但它们的活动在9个月时达到平台期。他说可能有很多原因，包括缺乏血管或需要额外的神经元来继续成熟。

Muotri说，更好的大脑类器官可以在实验室中复制人类大脑，研究人员将更少需要依赖动物模型和胎儿组织来更好地了解和治疗人类疾病。

他说:“我们的工作还没有取代对人类胎儿脑组织的研究需求，但作为一种潜在的替代方法，它是非常有吸引力的。”

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