机器学习算法无法区分这些实验室迷你大脑和早产儿

脑类器官——也被称为迷你大脑——是一种三维细胞模型，在实验室中代表了人脑的各个方面。大脑类器官帮助研究人员追踪人类的发展，揭示导致疾病的分子事件，并测试新的治疗方法。当然，它们不是完美的复制品。大脑类器官不能复制认知功能，但研究人员可以检查类器官的物理结构或基因表达是如何随着时间或病毒或药物而变化的。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员现在已经采取了大脑瀑样更进一步，实现了一个前所未有的神经网络活动水平——可以通过多电极阵列记录的电脉冲。利用早产三个半月的婴儿的数据，该团队开发了一种基于脑电图模式预测他们年龄的算法。然后，算法读取实验室培养的数据大脑类器官也是如此，并给它们分配了一个年龄。

9个月大的大脑类器官的电脉冲模式显示出与足月(怀孕40周)早产儿相似的特征。

这些新的优化的脑类器官，在2019年8月29日的《细胞干细胞这可能使研究人员能够研究那些不是由明显的生理变化引起或导致的，而是涉及脑细胞网络活动紊乱的精神疾病，如自闭症或癫痫。对于其中许多情况，还没有相关的实验室或动物模型。

“一开始我们不敢相信，我们以为电极出了故障，”联合资深作者Alysson R. Muotri博士说，他是加州大学圣地亚哥分校医学院的儿科学和细胞分子医学教授。bob电竞“因为这些数据非常惊人，我认为许多人对此持怀疑态度，这是可以理解的。”Muotri和加州大学圣地亚哥分校社会科学系认知科学副教授Bradley Voytek博士一起领导了这项研究。

大脑类器官的构建始于一个可能令人惊讶的来源:成人皮肤样本。在实验室中，研究人员将皮肤细胞转化为诱导多能干细胞(iPSCs)。像大多数干细胞一样，在适当的分子因子组合下，诱导多能干细胞可以定向分化成任何类型的细胞。在这种情况下，它们变成了脑细胞——例如，不同类型的神经元和胶质细胞。

在加州大学圣地亚哥分校，大脑类器官被用于产生第一个直接的实验证据，证明巴西寨卡病毒可以造成严重的出生缺陷并重新利用现有的艾滋病毒药物，遗传性神经障碍．Muotri和他的团队最近也将他们的大脑器官送到了国际空间站来测试微重力对大脑发育的影响，以及对地球以外人类生活的展望。

在最新的研究中，Muotri和同事优化了大脑类器官构建的每一步。例如，他们从单个细胞，而不是大多数协议中使用的细胞团块。他们还调整了促进脑细胞组织的因素的精确时间和浓度。他说，没有单一的秘密成分或创新，而是随着时间的推移不断改进。

优化在细胞多样性和蜂窝网络活动方面得到了回报。例如，该团队检测到一种特殊的灵长类动物特异性神经元，称为皮质gaba能神经元，这种神经元以前从未在实验室培养皿中产生过。根据Muotri的说法，这些细胞是复杂神经网络的重要参与者。

为了测量细胞网络活动，研究人员在多电极阵列上培养了他们新优化的脑类器官。电极捕捉并记录电脉冲，在脑电图输出中以波和峰值的模式出现。有了新方案，大脑类器官从每分钟产生3000个峰值增加到每分钟30万个峰值。

在人类中，随着脑细胞连接的发展，振荡会随着年龄的增长而变化。新生婴儿的大脑在脑电活动高峰之间往往会有一段休息时间(没有电波)。随着大脑的发育，这些安静的时间会越来越短。随着时间的推移，大脑活动变得稳定，尽管水平有所不同。这些脑振荡模式通常与人类的认知和疾病状态相关。

Muotri和他的团队比较了他们的大脑瀑样电子模式与公开数据集的567脑电图记录相关联，这些脑电图记录来自39名早产婴儿，怀孕24至38周，以及出生后几周。从最初的几天到9个月，大脑类器官产生了相似水平的电活动，遵循类似的模式:安静的时间更少，频率更高电脉冲．

Muotri说，他经常被问及这项工作的伦理影响，比如:“我们是不是离再造人脑太近了?”他解释说，这些脑类器官在许多方面与人脑有很大不同。例如，它们比成年人的大脑小几倍。它们没有脑半球和血管。而且它们没有被保护性头骨包围，也没有与其他组织相连。

Muotri说:“即使在婴儿身上，它们在功能上也远远比不上完整的皮层。”Muotri也是加州大学圣地亚哥分校干细胞项目的主任，也是桑福德再生医学联盟的成员。“事实上，我们甚至还没有办法测量意识或感知能力。”

Muotri的大脑类器官在实验室中可以存活数年，但在9个月时，它们的活动就停滞了。他说，可能有很多原因，包括缺乏血管或需要更多的神经元来继续成熟。

Muotri说，大脑类器官在实验室中复制人脑的效果越好，研究人员就越不需要依赖动物模型和胎儿组织来更好地理解和治疗人类疾病。

他说:“我们的工作还不能取代研究对人类胎儿脑组织的需求，但作为一种潜在的替代方案，它非常有吸引力。”

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