科技观察|植入老鼠体内的人类类器官,活了!

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封面新闻 2023-01-04 11:24 407204

封面新闻记者 闫雯雯

将人类的器官植入动物体能,让其迅速生长之后,再移植回人类的身体。这是很多科幻小说中疯狂科学家们的妄想。不仅在技术上有相当大的难度,而且也很可能有道德方面的壁垒。最近,美国科学家首次证明,技术上不是问题。 此前,被植入老鼠身体里的人脑类器官已经与动物皮层建立了功能性连接,并对外部感官刺激作出了反应。这项研究结果发表于2022年12月26日发表于《自然-通讯》上。

人脑类器官与小鼠大脑皮层建立了功能连接

大脑,无疑是人体最复杂的器官,记忆、语言和情绪等复杂的生理现象均源自于大脑的一系列生理活动。此次植入老鼠体内并且产生作用的人类大脑,实际上是人脑皮质类器官。

什么是类器官?它是一种3D细胞培养系统,其与体内的来源组织或器官高度相似。这些3D系统可复制出已分化 组织的复杂空间形态,并能够表现出细胞与细胞、以及细胞与基质之间的相互作用。理想状态下,类器官与体内分化的组织具有相似的生理反应。虽然最早的3D类器官模型创立于40年前,但是其应用直到最近仍很有限,这是因为早期的类器官模型需要大量 起始细胞、不适于高通量筛选、而且经常呈现出较低的体外活力。随着多能干、祖细胞分离技术的提高,早期类 器官模型的缺陷大部分均得以克服,这使得研究人员能够研发出高重复性、寿命长的类器官。人脑皮质类器官来源于诱导多能干细胞(iPSC),而诱导多能干细胞通常来源于皮肤细胞。

加州大学圣地亚哥分校库祖姆教授团队通过开发将透明石墨烯制成的微电极阵列和双光子成像相结合的技术,首次证明,植入小鼠体内的人脑类器官与小鼠大脑皮层建立了功能连接,并对外部感觉刺激做出了反应。植入的人脑类器官对视觉刺激的反应与周围组织一样,说明植入小鼠皮层的人脑类器官能够共享相同的功能属性,并以相同的方式对刺激做出反应。

研究团队使用铂纳米颗粒将石墨烯电极的阻抗降低100倍,同时保持其透明特性,低阻抗石墨烯电极能够在宏观和单细胞水平记录和成像神经元活动。通过在移植的类器官上放置一个这样的电极阵列,研究团队能够记录来自植入的类器官和周围宿主皮层的实时神经活动。通过双光子成像,他们还观察到小鼠血管生长到类器官植入物中,为其提供必要的营养和氧气。不仅如此,研究团队还将一种用于视觉刺激的白光LED应用到植入类器官的小鼠身上,同时对小鼠进行双光子显微镜检查。他们观察到类器官上电极通道的电活动,表明类器官对刺激的反应与周围的宿主皮质组织相同。电生理活动通过功能连接从植入的类器官区最接近视觉皮层的区域传播。

多个团队目前针对人类大脑和小白鼠进行研究

实际上,早在库祖姆教授团队发表论文之前两个月,斯坦福大学神经科学家帕斯卡团队就已经在《自然》杂志上发表了一篇相关的论文。

帕斯卡的团队成功将人脑细胞移植到新生老鼠的大脑中,并且这些细胞可感受到老鼠的感觉。研究人员表示,被称为“类脑器官”的人类细胞团块可以长成数以百万计的新神经元,并与新宿主的神经系统相连。将这些器官植入到老鼠脑中后,这些动物可以利用胡须接收感官信号,并帮助产生指令信号来引导它们的行为。

为了给类脑器官提供这种刺激和支持,帕斯卡团队从人类干细胞中培养出这种结构,然后将它们注射到新生幼鼠的大脑中,期望人类细胞能和大鼠细胞一起生长。研究小组将这些类器官放置在一个名为体感大脑皮层的区域,该区域从大鼠的胡须和其他感觉器官接收信号,然后将它们传递到大脑的其他区域加以分析。

人类大脑细胞成熟比大鼠慢得多,所以研究人员等了6个多月,类器官才完全融入大鼠大脑。帕斯卡介绍,当他们在实验结束后检查这些大鼠大脑时,发现这种整合非常成功。研究人员在实验中发现,类脑器官中的神经元受到嵌入在大鼠大脑中的光纤电缆发出的光刺激时会放电。研究人员训练大鼠在开灯的情况下舔水管取水。之后,当研究人员把光照射在大鼠大脑上时,它们会被诱导去舔壶嘴,这意味着人类细胞已经融合得足够好,可以帮助驱动动物行为。此外,当研究人员调整大鼠的胡须时,他们发现感觉皮层中的人类细胞会作出反应,表明这些细胞能够接收到感觉信息。

实验涉及伦理问题 谨防出现“弗兰肯斯坦式”怪物

解决了最基本的技术问题,却仍旧有更深层的问题在未来将会被频繁提及,那就是进行这类实验所涉及的道德问题。

首先是这类的移植很可能会对于动物有所损伤,但更重要的一个问题则时是否会出现“弗兰肯斯坦式”的怪物。

弗兰肯斯坦是著名女作家玛丽·雪莱小说中的人物,醉心科学的他用尸块拼接成了一个“活死人”亚当。亚当成为了一个怪物,杀死了很多人。因此在西方的文学和科学界都会将这类有伦理、道德问题的事情,称作弗兰肯斯坦式怪物。

尽管在去年由美国国家科学院、工程院和医学院组织的研究小组发布了一份报告,结论是,实验研究的类脑器官仍然太原始,无法获得意识,无法获得类似人类的智能或其他可能需要法律监管的能力。但随着研究的继续深入,特别是未来如果使用更加大型也更加聪明的动物,如猴子、黑猩猩等,是否会产生电影《猩球崛起》一样的效果,最终反攻人类,同样让人担忧。

评论 11

  • 胖胖球 2023-01-15 发表于四川

    好科幻

  • 王衡 2023-01-11 发表于四川

    加强管理

  • 初夏691044 2023-01-11 发表于四川

    发展科技

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