科学家首次证明生活在培养皿中的80万个脑细胞

这是模拟乒乓球环境的视觉表示，神经元活动反映在生长的砖块上。

科学家首次证明，培养皿中的 80 万个脑细胞可以执行目标导向的任务。 在这种情况下，他们正在玩简单的类似网球的电脑游戏“乒乓球”。 墨尔本牵头的研究结果今天（10 月 12 日）发表在该杂志上。 现在，研究人员将研究当他们的“大脑类器官”受到药物和酒精影响时会发生什么。

“我们已经证明，我们可以通过这种方式与活的生物神经元相互作用，迫使它们改变自己的活动以产生智力之类的东西，”主要作者布雷特·卡根博士说。 他是 Labs 的首席科学官，该公司是一家构建新一代生物计算机芯片的生物技术初创公司。 他的合著者隶属于莫纳什大学、皇家墨尔本理工大学、伦敦大学学院和加拿大高等研究院。

带有荧光标记的神经细胞显微镜图像显示不同类型的细胞。 绿色代表神经元和轴突，紫色代表神经元，红色代表树突，蓝色代表所有细胞。 当存在多个标记时，颜色会组合在一起，通常根据标记的比例显示为黄色或粉色。来源： Lab

Labs 首席执行官 Hon Weng Chong 博士表示：“提供了一种更简单的方法来测试大脑如何工作，并深入了解癫痫和痴呆症等衰弱性疾病。”

虽然研究人员已经能够将神经元安装在多电极阵列上并读取它们的活动，但这是第一次以结构化且有意义的方式刺激细胞。

“过去，大脑模型是根据计算机科学家认为大脑如何工作而开发的，”卡根说。 “这通常是基于我们目前对信息技术的理解，例如硅计算。但事实上，我们并不真正了解大脑是如何工作的。”

视频显示乒乓球游戏是由培养皿中的一层神经元控制的。

通过以这种方式从基本结构构建活的大脑模型，科学家将能够使用真实的大脑功能而不是像计算机那样有缺陷的类似模型进行实验。 例如，卡根和他的团队接下来将进行实验活体脑细胞，看看酒精被引入大脑类器官后会产生什么影响。 “我们试图用乙醇创建一条剂量反应曲线——基本上是让他们‘喝醉’，看看他们是否表现得更糟，就像人们喝酒时所做的那样，”卡根说。

这可能为理解大脑中正在发生的事情的全新方法铺平道路。

在高密度多电极阵列上生长超过 6 个月的神经培养物的扫描电子显微镜图像。 一些神经细胞在外围生长，形成一个复杂的网络，覆盖中心的电极。 Labs

阿迪尔·拉齐博士说：“这种教导细胞培养物执行任务的新能力——通过感应控制球拍的返回——为发现开辟了新的可能性，这将对技术、健康和社会产生深远的影响。”莫纳什大学系统神经科学实验室。“我们知道，我们的大脑具有进化优势，可以适应数亿年的生存。 现在，我们似乎已经找到了如何利用这种极其强大且廉价的生物智能。”

这些发现还提出了在研究新药或基因疗法在这些动态环境中如何反应时创造动物试验替代方案的可能性。

卡根说：“我们还表明，我们可以根据细胞如何改变其行为来修改刺激，并在实时闭环中做到这一点。”

为了进行实验，科学家团队收集了从胚胎大脑中提取的小鼠细胞和从干细胞中提取的一些人脑细胞。 他们将它们放置在微电极阵列上，微电极阵列既刺激它们又读取它们的活动。

阵列左右两侧的电极被发射，以告诉类器官脑球位于哪一侧，而到球拍的距离则通过信号的频率来指示。 来自电极的反馈告诉培养皿中的类器官如何通过使细胞像球拍一样移动来回球。 “我们以前从未能够看到细胞如何在虚拟环境中工作，”卡根说。 “我们成功地构建了一个闭环环境，可以读取细胞中发生的情况，用有意义的信息刺激它们，然后它们相互作用的方式改变细胞，以便它们实际上可以相互改变。”

共同作者、伦敦大学学院的理论神经科学家卡尔教授说：“这项工作的美妙之处和开创性之处在于，它赋予神经元感觉、反馈的能力，最重要的是，对周围的世界采取行动。这是值得的。”请注意，这些文化学会了如何通过行动使他们的世界变得更加可预测。这一点值得注意，因为你无法教授这种自组织；这只是因为 - 与宠物不同 - 这些迷你大脑没有奖励意识和这项工作的转化潜力确实令人兴奋：这意味着我们不必担心创建“数字双胞胎”来测试治疗干预措施。原则上，我们现在拥有终极仿生“沙箱”，其中药物和药物的影响遗传变异——这个沙箱是由在你和我的大脑中发现的完全相同的计算（神经元）元素组成的。”

这项研究也支持了教授提出的“自由能原理”。

“当我们研究如何引导细胞遵循特定路径时，我们面临着挑战。我们无法直接访问多巴胺系统或任何其他可用于提供特定实时兴奋的东西，因此我们必须钻研弗里斯兰戴顿教授研究了更深层次的信息：信息熵——关于系统如何在物理层面上组织自身并与其环境相互作用的基本信息。自由能原理认为，在这个层面上的细胞最大限度地减少了环境中的不可预测性……”

一项令人兴奋的发现是，类器官的行为与基于计算机的系统不同。 “当我们向脱离实体的神经元提供结构化信息时，我们看到它们活动的变化，这与它们作为动态系统的实际行为非常一致，”他说。 “例如，神经活动随着时间的推移而变化。元改变和适应其活动的能力随着经验的增加而增加，这与我们在细胞学习速率中看到的一致。”

Chong 说他对这一发现感到兴奋，但这只是一个开始。 “这是全新的处女地，我们希望更多的人加入并与我们合作，使用我们构建的系统进一步探索这个新的科学领域。正如我们的一位合作者所说，你不是每天醒来的它将创造一个新的科学领域。”

参考

体外学习和游戏世界