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明国莉院士:对如何用类脑器官探索大脑,类脑器官会产生意识吗?等相关问题进行了解答

[日期:2022-08-16]   来源:人民新闻报_人民新闻报官网  作者:人民新闻报_人民新闻报官网   阅读:7480[字体: ]

人民新闻报讯(王军 报道)类脑器官作为一种模拟人类大脑组织的培养物,能够帮助医学领域的研究人员们更好地研究大脑的发育以及相关的疾病问题。这项技术目前到达了怎样的发展阶段?在实际疾病的研究与治疗中它又如何起到作用?在89日召开的第三期“对话大脑”院士论坛中,明国莉院士与我们分享了她在该研究领域的多年耕耘。

与会观众表达了对类脑器官的浓厚兴趣,为此我们专访了明国莉教授,邀请明教授对类脑器官的相关问题进行解答,将观众的追问进一步延续。

明国莉,院士本科毕业于同济医科大学(今华中科技大学同济医学院),2002年获加州大学圣地亚哥分校博士学位。曾任约翰霍普金斯大学医学院教授。2019年当选为美国国家医学科学院院士。

明国莉院士的团队关注神经发育的分子机制以及神经发育失调所导致的神经发育障碍。他们结合分子生物学、生物化学、小鼠遗传学、影像学、电生理学、电子显微技术等多种实验方法进行神经发育的相关研究。

明国莉院士及其团队目前正借助类脑器官开展一系列针对神经发育和神经系统疾病的研究,所开发的新型类脑器官已成功模拟了人类胚胎皮层的发育,例如,明国莉院士实验室生成的前脑器官在结构、细胞组成和分子特征上表现出人脑发育过程中的特征。明国莉院士的研究还包括神经系统疾病建模和临床治疗,目前,明国莉院士及其团队已利用人类诱导多能干细胞(hiPSCs)衍生的类脑器官揭示了寨卡病毒和小头畸形之间的联系。

Q:能否简单介绍一下您的研究领域?

明国莉:我们实验室现在主要的方向是利用类脑器官来研究神经发育和神经系统疾病,一个是试图用类脑模型来研究人类大脑的发育。另一方面,在我们大脑发育过程中,如果过程中发生了神经发育不良的情况,我们便会产生不同类型的脑疾病,其中的一个就是精神障碍方面的疾病。现在,大家普遍认为精神类疾病是由于神经发育过程出现误差而引起的,而我们实验室也在致力于利用类脑模型来探索精神类疾病以及其他神经系统疾病。

Q:类器官技术从最早的阶段就发生了巨大的变化。可以和我们介绍类脑器官在结构、功能成熟度以及相互作用等方面的发展吗?

明国莉:其实类脑器官的工作从刚开始发展到现在,还不到10年的时间。最开始的发现,主要的工作有两个,一个是尤尔根·诺布利希(Jürgen Knoblich)团队,他们发现如果把胚胎干细胞养在一种悬浮的情况下,它们会自主地产生类脑器官。当时他们把它称作“cerebral organoids”,这种方法的可行性主要因为在人的发育过程中,神经系统是最先生成的,所以一开始他们所使用的方法很简单,你不用做什么事,如果让干细胞自主的分化的话,它会产生神经组织。

他们发现这个方法可以得到很多不同的脑组织,但是存在着一个问题:这种情况下产生的脑组织事实上并不具有组织性(organized)。我们知道脑大致可以分为前脑、中脑和后脑,尽管这是一个很大致的分类,但是在人的大脑中,这三个部分很有组织,而他们得到的脑组织,很有可能后脑和前脑连在一起,或者得到一些很随机的脑组织。毕竟,在这个过程中,他们并没有诱导生成些什么。所以,虽然我们可以产生很多不同的脑区域的细胞,但是它都是随机的,每一次发生的情况都不一样,所以用这个方法很难做一个定性和定量的工作。

同时,另外一项工作是由日本的Yoshiki Sasai等人完成,他们发现如果添加一个信号,叫做模式因子(patterning factor),可以更好地控制产生不同的类脑器官。所谓不同的类脑器官,事实上就是它产生的区域更有局限性,可能是产生前脑或者中脑,也可能是更细分的区域。

这两种不同的方法各有利弊。如果产生第一个方法中的cerebral organoids,即有很多不同的脑细胞,有最大量的分化,但是它的缺点就是上述提及的不好定性和定量,这对科学研究来说是非常困难的。因为我们都喜欢运用统计,我们需要看到不同的差异,对吧?而第二种方法,对于这种控制的类脑器官分化,我们可以更好地控制它的分化,但是自然而然它会更有局限性,因为你只有一个脑器官。

基于这些最早的发现,我们后来的工作决定综合这两种方法,开始发展更好的方案(protocol),去更好地产生脑区特定的类脑器官,能更好地代表特定的脑区域。

Q:人类干细胞衍生的类脑器官为研究人类大脑发育提供了前所未有的机会。能否和我们分享您最近开发的大脑区域特定类脑器官研究方案?

明国莉:大家比较关心的是人类和其他动物的区别,其中一个很大的差异是我们的新皮质(neocortex),它是我们演化过程中最为先进的区域之一,它增大的比例和其他脑区相比是最大的,所以最开始我们的方向就是针对产生这种前脑新皮质的类脑器官。开始做的时候其实并不容易,因为我们并不知道最好的条件是什么,当时我们花了很大的功夫去寻找最好的条件,来产生前脑类脑器官。

当时我们做类脑器官,它的培养条件通常是用一种所谓的悬浮细胞培养(cell suspension culture)。我们可以想象一下,如果像平常一样把细胞铺在一个培养皿上,它是2D,就是一个平面的细胞都是附着在培养皿的表面一层。而只有在悬浮情况下,它才能更好地模拟胚胎的发育的情况。当时市面上可以用来做悬浮细胞培养的,通常都是用的一种叫做生物反应器(bioreactor)的设备。Bioreactor原来最早的作用是用它来培养大量的细胞,譬如,我们用一个1升的大培养皿去产生很多的细菌。当时,诺布利希团队就是使用500毫升到1升的这种bioreactor

由于我们的工作需要使用不同的生长因子(growth factor),实验成本会非常昂贵,因此我们无法使用类似的方法。于是,我们开始探索能否做出一种微小型的bioreactor来克服这些困难。当时,实验室有几个高中生,他们来学习如何培养干细胞。我们和他们交流了这样的想法之后,他们想到了3D打印,因为之前他们有过很多3D设计的经验。他们利用3D打印技术做出了一个bioreactor设备,取名为SpinΩ。SpinΩ可以把容量减少到一个微升或者更少,它可以将12孔细胞培养板的每个孔变成一个bioreactor

这种情况下,我们的实验在经济上变得可以承受,可以进行不同的尝试。我们使用这个模式进行了超过100种方法的尝试,最后我们找到了一个方法可以产生比较一致的前脑类脑器官。利用这个装置,我们还找到了方法去产生中脑,下丘脑等不同脑区的类脑器官。可以说,我们实验室的贡献之一是我们发现了很多不同的方法去产生不同的特殊脑域的类脑器官。

Q:您关于类脑器官的一项开创性工作发现了寨卡病毒与小头畸形之间的联系,能否告诉我们类脑器官如何有助于疾病建模和治疗?

明国莉:事实上,当我们生成了类脑器官,我们做的第一个事情便是要证明类脑器官和人类的大脑发育是很接近的,这个是研究脑疾病的必要条件之一。如果我们的类脑器官和人差得很远的话,它就不适合作为一个疾病的模型,所以我们花了很多的时间去证明类脑器官在结构上和人脑的早期发育非常相似,比如说它有像脑室的结构,有神经干细胞的结构,可以产生和分化出不同的神经元。

刚才提到过我们人脑中前脑是最发达的,其中一个原因是因为那里富集人类特异性干细胞,然后我们证明了类脑器官里也有人类特异性干细胞。当我们看到这样的实验结果,我们都很激动。当时,我们是最早一批做类脑器官的研究员,我们被邀参加诺布利希在德国组织的会议。在这个会议上,我们汇报了这些研究方案和成果。Cell期刊的主编在会后和我们说,这个研究十分有趣,如果可以证明类脑器官对疾病建模也有所帮助的话,那么研究价值会更高。

这个会议之后正好是寨卡病毒刚刚开始之时,流行病学发现如果母亲感染了寨卡病毒,出生的婴儿很容易罹患小头畸形,我和实验室的研究生Qian Xuyu一起看了新闻,看到当时没有任何证据证明寨卡病毒和小头畸形有关系,只有临床观察的数据。于是,我们打算在类脑器官里尝试建立疾病模型。由于以往实验室未做过病毒实验,我联合了UCSD的一位从事病毒学的同学一起进行实验。

实验的结果非常令人惊异,我们发现将寨卡病毒放入我们实验室生成的前脑类脑器官,它会感染神经干细胞,引起神经干细胞的死亡,然后所产生的神经元也会减少,换句话说,它看起来和临床的小头畸形非常的相似。我们将研究结果发表在Cell,然后美国的CDC使用了我们数据加上临床的证据,得出了关于寨卡病毒和小头畸形的因果关系。

Q:您做了很多关于类脑器官在疾病建模以及治疗和应用方面的研究,在您看来,该领域最紧迫的问题是什么?有解决它们的工具吗?

明国莉:我们工作的初衷是想建立一个人脑的模型,因为直接用人的脑袋做实验基本是不太可能的,除非是做一些简单的脑外电信号记录。如果要做细胞分子层面的研究,我们只能通过建模来达到。这是类脑器官成为一个很好模型的背景,它让我们有机会去理解大脑发育的情况,以及在有疾病的情况下,对大脑的发育有什么影响,或者反过来大脑发育可能对疾病产生和发展有什么影响。我们最想要的就是类脑器官和真正的人脑越接近越好,但是现在的类脑器官当然存在着很多局限性的,首先说人脑并不仅仅是神经细胞,它还有很多其他构造,比如血管。它需要生长以及维持功能,那么它就需要大量的营养,我们的类脑器官的缺陷之一就是它没有血细胞的支持。此外,它还缺乏免疫性细胞,比如小神经胶质细胞(microgila)。这是因为当我们做protocol时,我们是直接把干细胞转变成神经干细胞,而小神经胶质细胞以及其他免疫细胞有不同的发育来源,所以类脑器官里缺失了这些细胞。

目前的类脑器官还缺乏很多发育后期产生的细胞,其中一个是少突胶质细胞(oligodendrocyte),它对神经电传导事实上是非常重要的,但是在神经发育过程中,它的细胞的产生在比较晚的阶段。目前的类脑器官的另一个局限就是很难维持它的生长,让它持续生长一到两年。所以这些后期产生的细胞,它们的存在比较少。

Q:如您上述提及,目前的类脑器官大多缺乏几种细胞类型,例如小胶质细胞。这其中有哪些困难与挑战以及如何生成含有小胶质细胞的类脑器官?

明国莉:最简单的一个方法是合并,因为这些细胞有不同的发育来源,我们可以单独产生小胶质细胞,然后将它和类脑器官放在一起。有的有实验室已经做过,当然我们实验室也做过,但是如果只是简单拼凑在一起,它的分布和数量和真正的人脑其实差得很远。真正有多少小胶质细胞可以进入类脑器官,存在着很多不确定性。

还有一些研究采取的是移植的方法,将生成的类脑器官移植到小鼠或者大鼠的脑内。这样的话,这些宿主的细胞,比如小胶质细胞,可以进入类脑器官里,去补充小胶质细胞。我们现在想做的一个研究是把老鼠的小胶质细胞换成人的小胶质细胞,然后再去做人的类脑器官的移植。这样的话我们就可以将人的小胶质细胞和人的类脑器官结合起来,当然我们才刚刚开始,所以结果如何还是未知的。

Q:有人说,使用类器官是“构建一些东西,这和真正的大脑不一样”。如何验证类器官中的观察结果与真实大脑一致?

明国莉:这是一个很好的问题。刚才我们聊到了很多类脑器官目前的局限,比如说缺少一些非神经组织的细胞。当然还有一个显而易见的事情是,我们的大脑有着巨量的细胞,而类脑器官在这个数量级上差很远。假如我们认为类脑器官能够计算,有突触连接,拥有计算能力,那么这个效能会比真正的人脑小很多。所以,某种程度上这个说法有一定道理。

而另一方面,我们其实做了很多实验,这些实验可以证实类脑器官和人类的大脑发育在很多程度上十分相似,比如有人类特异性的干细胞,有些研究还证实类脑器官有人类特异性的星形胶质细胞。这些研究都证实了类脑器官具有比较完善的结构。在分子层面上,一些研究通过RNA测序或者单细胞测序,发现它在很多层面上和人脑很接近的,其他时间层面的研究也证实两者之间的相似之初。总的来说,我们在往越来越相似的方向改善类脑器官。

Q:谈到了类脑器官与人脑的诸多相似,那么我们离应用于大脑修复的类脑器官移植还有多远?

明国莉:我们可以简单地做一个类比,前段时间的一个科研热点是猪心移植到人体。这是一个最近非常有名的临床上的工作,这个病人实际上存活了较长时间,当然后期还是面临着很多问题。但是这个研究间接地说明用使用正常功能的组织或许能够替换受损的人体组织,这当然是一个最重要的前景之一。人脑的话,它是有一个很严谨的结构,如果我们的类脑器官能够有类似的结构,那么将其应用到修复受损脑细胞,这会是非常理想的情况。

目前我们离人体实验还有一些距离,不过我们正在积极地进行一些动物实验。我们在大脑受损的动物模型中,将类脑器官植入,然后观察它能不能产生神经连接,对功能的修复会不会有帮助。这是一个我们正在做的工作,希望在对未来实现应用类脑器官对大脑修复,增进更多的理解。

Q:每一项新技术进步都会带来一系列新的伦理问题,尤其是在涉及大脑类器官方面。在您看来,我们在什么时候可以说这些类器官是“有意识”的?我们如何检测大脑类器官的意识?

明国莉:这个问题我们也在思考,也是非常有争议的话题。第一个问题就是意识的定义,对吧?它的定义可以是我们能够感知到自己或者外在,然后我们存在反应。目前,类脑器官面临的一个问题是,至少在现在,我们没有办法去测量它们对外界是否存在感知。我们的感知是建立在我们对外界的感知,而类脑器官在培养皿中产生,目前它没有任何感觉输入(sensory input),所以很难在这种情况下去确定类脑器官,是不是真正具备意识。

当然,如果说有一个类脑器官在培养皿里,它突然产生了意识,这会是一个很“可怕”的事情,对吧?我们的希望是用类脑器官去完成神经修复,不管是大脑受损,还是脊髓损伤,我们所希望的是类脑器官在这种情况下能够修复它们的神经回路,然后可能会对意识的认识也有所贡献。基于目前的研究,我个人认为,在培养皿中的类脑器官,存在意识的概率几乎是不太可能的。

Q:您下一步的研究兴趣是什么?

明国莉:刚刚也提到了一点,我们最希望的是所建立的模型与人脑完美相似。目前我的主要工作,一个是继续研究特定脑区域的类脑器官,还有就是想组合产生一个更复杂,更系统化的包括全脑和完整中枢神经系统的类脑模型。

不管我们要产生多少脑细胞,最终的结果是想要这些脑神经元互相连接,让它们的功能互相连接,互相交流。神经回路实际上是我们大脑处理一切信息的基础,所以我们的类脑器官还有一个目标是,我们希望在类脑模型中可以观察到神经回路的信息,以及它们的信息处理过程。这些都是我们下一步的研究计划。

责编:玉素甫·玉素因     审核:米振华

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