zxcvb: 研究表明早期發育的人類大腦預先配置了理解世界的指令

關鍵要點

• 新發現表明，大腦在感官體驗發生前就已具有預設的結構化活動模式。


• 加利福尼亞大學聖克魯茲分校研究人員利用腦類器官研究大腦最早的電活動。


• 理解早期腦活動模式對診斷和治療發育性腦部障礙具有重要意義。

人類長期以來一直好奇我們何時以及如何開始形成思想。 我們是生來就擁有預設的大腦，還是思維模式只有在對外部世界的感官體驗作出反應時才開始出現？ 如今，科學正逐漸接近回答哲學家們幾個世紀以來思考的問題。

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加利福尼亞大學聖克魯茲分校的研究人員正在使用稱為類器官的人腦組織微小模型，研究大腦中最早的電活動時刻。 發表在《自然神經科學》上的一項新研究發現，大腦的最早放電以結構化模式出現，無需任何外部體驗，這表明人類大腦預先配置了關於如何與世界互動的指令。

“這些細胞顯然在相互作用並形成電路，在我們體驗到外部世界的任何事物之前就已自組裝，”工程學院巴金學院的生物分子工程助理教授、該研究的資深作者塔爾�夏爾夫（Tal Sharf）表示。 存在一個作業系統，它在原始狀態下出現。 在我的實驗室中，我們培養腦類器官，以窺探這個原始版本的大腦操作系統，並研究大腦如何在感官體驗塑造之前自行構建。 "

在提高對人類大腦發育基本理解方面，這些發現可説明研究人員更好地理解神經發育障礙，並確定農藥和微塑膠等毒素對發育中大腦的影響。

夏爾夫手持基於CMOS的微電極陣列晶元。 這些設備包含數千個微型放大器，用於三角測量毫米大小類器官組織中單個神經元的電活動。

研究發育中的大腦

大腦類似於計算機，依靠電信號運行——即神經元的放電。 這些信號何時開始放電以及人類大腦如何發育，是科學家難以研究的課題，因為早期發育的人類大腦受到子宮的保護。

類器官是在實驗室中由人類幹細胞生長的3D組織模型，為大腦發育提供了獨特視窗。 加利福尼亞大學聖克魯茲分校的Braingeneers小組與加利福尼亞大學三藩市分校、加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校的研究人員合作，正在開創培養這些模型並從中獲取測量數據的方法，以深入瞭解大腦發育和障礙。

類器官對於理解大腦是否回應感官輸入而發育特別有用——因為它們存在於實驗室環境中而非體內——並且可以倫理地大量培養。 在這項研究中，研究人員促使幹細胞形成腦組織，然後使用類似於計算機運行的專用微晶元測量其電活動。 夏爾夫在應用物理學、計算和神經生物學方面的背景形成了他在建模早期大腦電路方面的專長。

“一個本質上與任何感官輸入或器官通信脫鉤的類器官系統，為你提供了一個瞭解這種自組裝過程的視窗，”夏爾夫說。 “這種自組裝過程在傳統的2D細胞培養中很難實現——你無法獲得細胞多樣性和結構。 細胞需要彼此緊密接觸。 我們試圖控制初始條件，以便讓生物學發揮其奇妙的作用。 "

夏爾夫實驗室正在開發新型神經介面，利用物理學、材料科學和電氣工程方面的專業知識。 右圖是夏爾夫實驗室的電氣與計算機工程博士生庫什克�德瓦拉揚（Koushik Devarajan）。

模式生成

研究人員觀察了腦組織的電活動，這些組織從幹細胞自組裝成能夠轉換感官併產生語言和意識思維的組織。 他們發現，在發育的最初幾個月內，遠在人類大腦能夠接收和處理視覺和聽覺等複雜的外部感官資訊之前，其細胞就開始自發地發出具有轉換感官特徵的電信號。

通過數十年的神經科學研究，科學界發現神經元的放電模式並非隨機。 相反，大腦具有“預設模式”——一個用於神經元放電的基本底層結構，當大腦處理像氣味或味道這樣的獨特信號時，它會變得更加具體。 這種背景模式勾勒出身體和大腦可以產生的感官反應的可能範圍。

在對自組裝類器官模型中單個神經元尖峰的觀察中，夏爾夫及其同事發現，這些最早可觀察到的模式與大腦的預設模式有驚人的相似之處。 即使沒有接收任何感官輸入，它們也在發射基於時間的複雜模式或序列，這些模式有可能為特定感官進行優化，暗示了活體大腦神經架構中固有的基因編碼藍圖。

“這些本質上自組織的系統

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可以作為構建我們周圍世界表徵的基礎，”夏爾夫說。 “我們能夠在這些早期階段看到它們的事實表明，進化已經找到了一種方法，使中樞神經系統能夠構建一個允許我們與世界互動和導航的地圖。”

知道這些類器官產生活體大腦的基本結構，為更好地理解人類神經發育、疾病以及大腦中毒素的影響開闢了一系列可能性。

“我們正在展示捕獲複雜動態的基礎，這些動態可能是我們可以在人體組織中研究的病理髮作的標誌，”夏爾夫說。 “這將使我們能夠與臨床醫生合作，在臨床前水平開發潛在的化合物、藥物療法和基因編輯工具，這些工具可能更便宜、更高效、更高通量。”

這項研究包括來自加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校、聖路易斯華盛頓大學、約翰霍普金斯大學、漢堡-埃彭多夫大學醫學中心和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員。