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科学突破:半人半鼠大脑培育成功

斯坦福大学研究人员通过基因工程改造,使小鼠大脑能够接收并整合人类脑细胞并发挥功能。团队先让小鼠几乎不发育自身大脑皮层,再将人类皮肤细胞重编程为类脑组织'类器官'植入小鼠脑内。数月后,人类细胞与小鼠大脑回路融合连接。该模型有望用于研究癫痫、自闭症等目前缺乏有效疗法的人类脑疾病,但也引发了关于改变动物认知的伦理争议。

来源:BBC Science

一只白色实验鼠站在实验室里的人手上。捧着小鼠的人手戴着蓝色防护手套 这项研究引发了人们对改变实验动物思维和感受方式意味着什么的质疑

作者:Victoria Gill(科学记者)及 Kate Stephens(资深科学记者)

美国神经科学家已成功地让小鼠在大脑中拥有可发挥功能的人类细胞。

研究人员希望,针对目前仅发生于人类的精神疾病和神经发育疾病的潜在疗法,现在可以在这些实验鼠身上进行测试。

虽然拥有部分人类大脑的小鼠听起来像卡夫卡式的实验,但科学家表示,这些并不是’像人类一样思考的小鼠’。

这些动物经过基因工程改造——并通过手术改造——使其部分脑组织为人类组织。

科学家表示,他们的工作[ 图像显示了一只植入人类脑细胞的小鼠的大脑扫描图。看似杂乱的彩色线条图展示了神经纤维通路。 在植入小鼠的扫描图像中,研究人员能够看到人类脑细胞与小鼠大脑其余部分之间的连接

这一在伦理上颇为复杂的突破,其目的是更好地理解目前尚无有效疗法的脑部疾病的生物学机制。

有些疾病根本无法在小鼠身上研究,原因很简单:啮齿动物不会罹患人类所患的某些脑部疾病。

正如首席研究员、斯坦福大学的Sergiu Pașca教授在新闻发布会上所解释的,精神病学’是临床试验成功率最低的领域之一’。

‘即使是真正进入临床试验的药物——那些在动物模型中似乎效果非常好的药物——在临床上也会惨遭失败,‘他在新闻发布会上说。‘这告诉我们,我们对人类生物学的了解还缺失很多,而捕捉这些信息至关重要。’

斯坦福大学的研究人员表示,对于一些复杂疾病,包括癫痫、自闭症和脑瘫,这项研究有潜力带来’变革性’的影响。

Pașca说:‘在这里,我们拥有了一个新模型,使我们能够以前所未有的方式真正捕捉人类大脑功能的各个方面。’

一名身穿蓝色短袖上衣的护士在电脑前查看脑部扫描图像,背景是一扇玻璃窗,可以看到MRI扫描仪的轮廓。 人们希望这将为研究某些人类脑部疾病的生物学机制提供新途径

没有’灰质’的小鼠

人类大脑由数十亿个细胞组成,它们在数百万个回路中相互连接,这使得我们很难理解大脑的发育,以及在细胞层面当出现问题时究竟发生了什么。

虽然这项研究并非首次将人类神经元植入实验啮齿动物,但这些科学家将这一方法提升到了新的水平。

首先,他们通过基因工程改造小鼠,使其几乎不发育自身的大脑皮层——即大脑外层,有时被称为’灰质’。它负责高级思维、记忆和感官功能。

然后,研究人员使用取自人类的皮肤细胞并对其进行’重编程’,使其生长为类似大脑的组织碎片。

这些结构被称为类器官——它们不是在培养皿中培养出的完整大脑,更像是相互连接的活细胞集合。

当这些类器官被植入小鼠大脑后,细胞发生分裂并自行组织融入动物现有的大脑回路,与小鼠大脑其余部分及脊髓建立连接。

植入小鼠的皮层并不完美——正常皮层会形成有组织的结构化分层。正如神经科学家Ilary Allodi博士所言,这些’人-鼠’大脑的扫描图像看起来’有点杂乱’。

不过几个月后,人类细胞开始在外观和功能上类似于小鼠大脑的外层。

手术后约六个月,科学家对这些小鼠进行了一些基本的行为测试——观察它们在一个小型桌面活动场中的活动情况。

Pașca表示,它们的表现’与(正常)小鼠基本相同’。

‘它们没有任何增强,‘他补充道。

爱丁堡大学生物伦理学高级讲师Sarah Chan博士并未参与这项研究,她告诉BBC News,‘没有迹象表明这里创造的是能像人类一样思考的小鼠,或小鼠体内的人脑。’

但她表示,这项研究’促使我们思考,当我们开始改变动物认知时,这可能意味着什么’。

‘我们如何知道成为这些小鼠中的一员是什么感觉?我们又如何在对待实验动物的方式中考虑到这一点?‘她补充道。

‘小鼠环境中的人类程序’

圣安德鲁斯大学神经科学家Ilary Allodi博士并未参与这项研究,她表示科学家们所做的工作’非常令人印象深刻’。

Allodi特别指出,仅在人类和其他灵长类动物大脑中存在、而不存在于小鼠大脑中的细胞类型,在植入后的小鼠体内自发形成了。

‘你是在小鼠环境中保留人类程序——就像小鼠是一个孵化器,‘她告诉BBC News。

研究人员表示,这些小鼠是在严格的伦理和福利准则下进行基因改造和饲养的,它们很可能只会被少数实验室用于研究少数非常特定的脑部疾病。

同样任职于圣安德鲁斯大学的神经科学家James Ainge教授指出,尽管这一进展在技术上非常令人印象深刻,但这些小鼠的用途可能’有限’。

他说,这部分是由于’在小鼠体内培育活体人类脑组织的伦理问题,以及这对动物的体验意味着什么’。

Allodi指出,研究人脑的神经科学家都面临同样的局限。‘我们试图理解人类疾病,而我们拥有的只是小鼠、培养皿中的细胞,以及计算机上的神经网络。

‘所以这是一条新途径。’

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