地球的另一端会有能完全理解我的“另一个我”吗?

Kyle Bean/The Observer

以下为朗读小姐姐全文音频

 

作者 | Gabriel A. Silva

翻译 | 傅煦然

改写 | Kar-K

审校 | 酷炫脑主创

朗读 | 鸽仔

美工 | 老雕虫

编辑 | 吴湘蓉

你的大脑是独一无二的。类器官就是在培养皿中培养出的你独一无二大脑的一个迷你模型;单独一份皮肤细胞就能培养出上千个这样的类器官。

 “你怎么就不能理解我呢?!”

 “我又不是你肚子里的蛔虫,我又没有你的脑子,我怎么知道你在想什么。”

 

相信无数情侣都经历过以上的对话——正所谓世上没有真正的感同身受;但大家有没有思考过这个问题:这个世界上会不会有人和我有着相同的大脑呢?地球的另一端会有能完全理解我的“另一个我”吗?

今天我们给你一个确切的答复:你的大脑和其他任何人的大脑都不一样,从这个意义上出发,世界上不会有“另一个你”——你的大脑是独一无二的。

 

基因像是规划新城区的蓝图,提前为我们每个人都设计了一个结构相似的大脑;但是基因蓝图并没有提前限定大脑里的神经元们相互连接的模式。反之,神经元间的连结网络会被很多随机的环境因素所影响:譬如,或许是因为我和你家楼下的早餐店卖的粥不一样,导致我们看到同一份八宝粥时,我垂涎千尺,而你只觉又甜又腻。换言之,你和这个世界的交互为你带来了一个有着独特的学习和信息处理功能的大脑。从这个意义出发,我们每个人在生物学上都是一个独特的个体。

《听见她说》 

这就引出了一个问题:神经科学研究的对象正正就是大脑,科学家们该怎么处理来自不同的大脑的数据呢?为了解决这个问题,神经科学家们有时候会对来自不同个体的、庞大的数据取平均值,通过实验设计抹除一些因大脑独特性而产生的个体化差异,以便于比较其他更为重要的差异。

比如说,为什么你喜欢番茄而非橄榄?为什么这种偏头痛药让你头晕犯困,而它对你的弟弟却没有影响?自闭症儿童的大脑和他们的兄弟姐妹有什么不同之处?这些不同之处会如何影响他们的行为能力?关于自闭症社群里有一个广为流传的说法:如果你见到一个有自闭症的人,你只是见到了众多自闭症患者中一个独一无二的个体——换言之,即便是同样患有自闭症,自闭症患者间也存在着巨大的差异性。

神经科学家可以把你当成一个整体来研究你的认知、行为功能,也可以用功能性核磁共振(fMRI)和脑电图(EEG)来研究你某个具体的脑区;但是依旧无法通过现有的技术得知哪些神经元连结是由你的独特基因决定的、你的整个神经连结网络,抑或是某两个特定的神经元之间是如何互动的——这就导致了我们无法通过解读你的大脑来完全掌握你的学习模式和行为能力。换言之,我们尚未明确“你之所以成为你”背后的神经生物学基础。

 

然而,上述的技术壁垒有可能会被一项称为“大脑类器官”(brainorganoids)的实验技术所改变,这类研究通常会涉及到高级数学算法和先进计算机模型。Gabriel A. Silva是加州大学圣地亚哥分校的一名生物工程及神经科学教授,他的整个职业生涯都在研究大脑是如何编程、处理信息的。他近期与同事Alysson Muotri和微软研究员Christopher White一同撰写了一篇解释类器官的评论文章。

“盘”中之脑:源于人类细胞的大脑类器官

大脑类器官技术最初是由笹井芳树和同事在2013年研发的。他们发现神经结构可以从人类干细胞中培养出来,但培养类器官却不需要干细胞,也不需要任何形式的人脑细胞;正是这个独特之处使得类器官成为大脑研究方面一个前途无量的重要模型。

大脑类器官是一个图钉大小的3D自组织结构,由大概250万个神经细胞组成——这听起来像是个很大的数字,但其实和组成成年人大脑的860亿个细胞相比,它不过是九牛一毛。这些神经细胞可以由各种人类干细胞培养而成,也可以由在培养皿(“盘”)中由经过基因重组的普通细胞得来,比如皮肤纤维原细胞或者从口腔里刮下的颊上皮细胞。这个过程使得这些去分化的初始细胞变回类似胚胎状的干细胞形式。接着,这些干细胞会分化成各种神经元以及其他神经系统中的细胞。这个在培养皿中去分化与再分化的过程完全由细胞自身的基因程序主导。

而由于培养皿里的细胞是“你”的细胞,所以上述过程完全是按照“你”独特的基因序列所发展的。这些三维的“盘”中细胞自发地组织成解剖学意义上的器官结构,能展示出你的大脑的发育过程。这些细胞的组成与成熟的神经元及其他脑细胞相似,不过其中也包括了一些尚未成熟的细胞。简单来说,类器官就是在培养皿中培养出的你独一无二大脑的一个迷你模型;单独一份皮肤细胞就能培养出上千个这样的类器官。

(Gabriel A. Silva st al., 2020)

类器官和一个真大脑的相似之处不止存在于结构和解剖学的层面。Muotri和合作伙伴最近发现,如果培育类器官的化学环境处于最佳状态,它们可以足够成熟,展现出一些传递电信号的活动,类似一个早产儿处于发育状态的大脑。实际上,这些大脑活动相似到一定程度,以至于我们可以创造一种算法来识别出这些活动模式,这个算法也可以算出这个类器官的“年龄”和与之匹配的早产儿发育的年龄。

然而,虽然这些试验结果听起来很高级,但是大脑类器官远不能达到一个成人大脑的成熟度,它们还不能被称为“迷你大脑”。虽然类器官可以模拟大脑发育初期的结构和一些复杂的电信号,但是其中的细胞还非常不成熟,而且还没有相应的血管给它们供血。我们只能把它当成大脑的一个模型,它能模拟大脑的一些重要特征,这对科学研究非常有帮助;但是和所有模型一样,它肯定比本体更局限、更低级。

虽然类器官并没有自主意识,但随着这项技术的日益发展与完善,神经科学家们开始探讨与之相关的伦理问题。由于它们能从简单的皮细胞里培养出来,并不需要人类的胚胎干细胞,类器官的培养实际上并不存在任何伦理问题。 

 

连结神经科学和临床与认知研究

人类细胞培育出的大脑类器官能展示出每个人与众不同的大脑发育模式。正因如此,科学家有机会把生物学研究、计算机模型运用到行为、认知和针对个人的临床研究中;这是其他的实验模型做不到的。我们可以同时研究由某人的细胞培育来的类器官和此人的认知测试以及临床实验,这个方法可以把每个个体神经生物方面的独特性和认知临床方面不同的表现联系在一起。

在加州大学圣地亚哥分校,研究者们正在尝试把这种平行研究的方法运用到一个研究大麻二酚(CBD)对自闭症影响的实验中。他们的主要目标,是探究在这些自闭症患者提供的类器官中,神经元之间的连结网络是否支离破碎。研究者们试图通过患者的实验数据重组他们类器官的神经网络,然后用这些重组数据来计算一个我们称为“折射率”(refraction ratio)的比值。这个比值能反映出相较于每个神经元处理信息的时间,信息在神经元之间传递的速度是多少。他们发现真的神经元会参照这个比值把自己调整为最佳形状,而不匹配的折射率会导致整个神经网信息传递的崩溃。

我们有理由相信,在不久的将来,与大脑类器官相关的平行研究方法会被应用在更多实验中,帮助我们在临床实践中找到符合个人的最佳的治疗和剂量方案,追求符合个人神经生物的独特性的更好的临床结果。试想在未来的某一天,医生在给你开药之前就通过类器官实验预测出你对某种药物的临床反应——你再也不用吃那些让你头晕犯困的偏头痛药了,你的医生借助你的大脑类器官找到了一种让你能继续996打工人日常的药。


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