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脑类器官研究步入快车道
2026-04-15 09:59
据英国《自然》杂志网站近日报道，类器官技术于十余年前初现雏形，近年来，随着培养工艺的不断精进，脑类器官研究正步入快车道，科学家已构建出涵盖多脑区、结构更趋复杂的脑类系统。这些“微型大脑”正被用于解析发育轨迹，模拟孤独症、精神分裂症等神经发育障碍，并作为新药筛选与疗效评估的平台。奥地利维也纳分子生物技术研究所发育生物学家尤尔根·克诺布利希直言，该领域正迎来历史性的转折点。
有些微小类脑结构能在实验室存活数月甚至数年。图片来源：《自然》网站
“微型大脑”百花齐放
上世纪80年代，美国哲学家希拉里·普特南提出了著名的“缸中之脑”思想实验。几十年后，科学家开始在培养皿中将这一哲学构想化为现实——脑类器官。它是由人类干细胞培育而成的微小球体，内部自组织形成初级的类脑结构。
2013年，克诺布利希与英国剑桥大学发育生物学家玛德琳·兰卡斯特在《自然》杂志发表论文，报告了全球首个源自人类多能干细胞的三维脑类器官。团队利用生物凝胶模拟脑外基质，借助生物反应器优化营养输送与氧气扩散，并添加特定生长因子诱导神经发育，最终培育出结构相对完整的类器官。该模型已能呈现前脑、脉络丛、海马及前额叶等多个既独立又互联的脑区雏形。
此后，脑类器官研究步入快车道。全球科研团队不断优化诱导配方，通过精准调控小分子与生长因子组合，相继培育出中脑、丘脑、小脑、纹状体等具有特定脑区特征的类器官。
随着技术迭代，科学家开始尝试将两个或多个脑区类器官进行拼接，构建“类器官组合体”，以更逼真地模拟真实大脑的发育轨迹与神经元迁移过程。美国斯坦福大学塞尔吉乌·帕什卡团队已构建数十种组合体，融合脊髓、大脑皮层与肌肉类器官。
尽管组合体已成为神经发育实验室的“新宠”，但这种“乐高式”的人工拼接仍缺乏生理自然性。去年7月，美国约翰斯·霍普金斯大学研究团队在《先进科学》杂志发表研究成果称，他们培育出新型“全脑”类器官。该模型不仅整合了多脑区神经组织，更首次引入了初步的血管网络，标志着类器官向“统一运作、自给自足”的微型脑系统迈出了关键一步。
破解发育和疾病奥秘
脑类器官的成熟，为科学家解答人类独有的进化谜题提供了“时间显微镜”。例如：为何人脑发育节奏远缓于其他哺乳动物？要知道，人类神经元的成熟周期约为小鼠的10倍，每一步都漫长而精密。
类器官模型帮助科学家锁定了一些关键物种差异，如代谢速率放缓、信号通路重塑及特定基因表达模式的改变。遗传学家认为，人类的认知独特性，或许正源于数百种低强度基因调控的叠加效应，它们精准地启闭特定脑区的特定基因。
在疾病研究与治疗领域，类器官同样展现出破局潜力。因为精神分裂症、孤独症、阿尔茨海默病等往往累及全脑网络而非单一区域。借助“全脑”类器官，科学家有望在病程极早期捕捉病变起源，进而发现全新治疗靶点。
然而，跨时空模拟仍是巨大挑战。若要研究青少年期乃至成年后的大脑发育，科学家不愿等待类器官在体外自然生长10年之久，他们渴望将长达15至20年的发育进程压缩至数月内，但这绝非易事。
目前，已经有一种小分子组合，可在体外促使神经元加速成熟数周，提升线粒体（细胞能量工厂）功能亦可达到类似效果。但这些“催熟”手段会否扭曲细胞的真实功能，仍是未知数。
相较之下，部分临床应用已触手可及。今年，全球首个基于类器官研发的疗法将正式迈入临床试验。该疗法靶向蒂莫西综合征——一种因基因突变导致神经元迁移受阻，进而引发癫痫与孤独症的罕见病。科学家已在组合体模型中成功修复了遗传缺陷。
人脑的奥秘远未穷尽。未来10年，这类干细胞模型将继续成为揭示复杂脑疾生物学基础的利器，为人类攻克曾被视为“黑箱”的神经系统疾病照亮前路。
安全与伦理问题值得警惕
脑类器官技术狂飙突进的同时，伦理和安全隐忧如影随形。
随着类器官结构日趋复杂，它们是否可能衍生出感知能力甚至初级意识？意大利米兰大学分子神经科学家朱塞佩·特斯塔明确表示，目前尚无迹象表明这些类器官具备任何形式的感知能力或意识。但随着复杂度提升，科学界必须建立持续监测机制，敏锐捕捉培养皿中可能出现的异常复杂行为。
尽管类器官技术旨在减少对传统动物实验的依赖，但长期维持其体外活性仍面临瓶颈。为此，部分科学家尝试将其移植至活体啮齿动物脑内。然而，跨物种脑组织嵌合引发了学界的深切担忧。如何在推动研究与恪守伦理底线之间取得平衡，已成为亟待确立的规范。
此外，更多前沿伦理议题浮出水面：脑类器官未来是否可能与计算机系统对接？脑机融合将衍生何种社会后果？提供干细胞的捐赠者是否有权限定其组织的研究用途？尽管部分担忧尚属前瞻性探讨，但专家们认为，指导原则与监管框架必须先行。唯有在敬畏生命的前提下大胆探索，类器官技术方能真正惠及人类健康未来。
（原标题为《培养工艺不断精进 技术迭代加速落地 脑类器官研究步入快车道》）