鑽石舞台

一直以來，人們希望建立神經或精神疾病的實驗模型，以便更深入地了解大腦或研發藥物。最近，神經科學家塞爾吉·帕斯卡（Sergiu Paşca）成功將人類細胞植入幼鼠大腦。這些被植入的人類類腦器官可以自發擴散，與動物大腦深度融合。這項振奮人心的研究成果在Nature雜誌上一經發布，便受到了腦科學研究領域的廣泛關注。

在追問頂刊欄目中，我們邀請了3位科學家對這項研究進行了深入解讀。前段時間，塞爾吉·帕斯卡也接受了知名記者克勞迪婭·德雷弗斯（Claudia Dreifus）的採訪。我們對採訪內容進行了編譯與整理，供您閱讀。

是的，從小就嚮往。

我在羅馬尼亞的特蘭西瓦尼亞長大。小時候，我在自家地下室里建了一個實驗室。我會向土壤中添加各種化學品，然後觀察它們對植物生長的影響。有一次，我往土裡添加了一種銅基分子，其中一株植物增長了20%。我從此迷上了研究。

說來話長。高中畢業時，我在一次全國化學競賽中獲獎。該獎項讓我可以進入羅馬尼亞任何一所大學。我選擇了位於克盧日-納波卡（Cluj-Napoca）的Iuliu Haţieganu醫藥大學。我的想法是成為一名研究型醫生，因為世界需要更多這樣的人。這是我當時的想法，也是我現在的觀點。

不幸的是，進入醫學院後，我發現資源很少：沒有資助，沒有實驗要用的試劑。但我有一位非常敬業的教授，她自己拿出200歐元從德國訂購了一個小型試劑盒，這在當時可是一筆巨款。然後我們花了一年時間來規劃如何最大限度地利用這個試劑盒。

這是我第一次接觸腦部疾病的研究。我一直在思考如何使用這個試劑盒來測試心血管疾病患者血液中的代謝物。但要獲得有價值的研究成果，我需要測試數百，甚至數千名病人。但我們的試劑只夠做50次測試。

有一天，在上統計學課時，我突然想到：如果研究只能針對一小群病人，唯一的辦法就是研究一種罕見病。於是，我想到了孤獨症。

然而，20年前的我們還並不知道這些。

我的想法是看看我們是否能在孤獨症兒童的血液中找到這種疾病的特徵。為了進行這項研究，我需要說服孤獨症兒童的父母捐獻他們孩子的少量血液。在與這些父母溝通的過程中，我感到非常痛心，我也親眼見證了這些家庭所經歷的巨大痛苦。父母們想知道是什麼導致了孩子的這種情況。

▷圖片來源：Phil Hearing

我當時只能回答：「目前我們什麼也不清楚。」

我想，如果我們可以培育出人類大腦的活性組織，事情或許會有轉機。

為了能給出更好的回答，我在布加勒斯特（Bucharest）報名參加了由國際腦研究組織（IBRO）提供的課程。該組織由來自美國和英國的神經科學家們組成，力圖將先進的腦科學引入偏遠國家。他們的科學陳述清晰明了，他們所描述的神經科學發現更是引人入勝，這讓我非常興奮。

我通過這次課程認識了傑克·麥克馬漢（Jack McMahan），他是斯坦福大學神經生物學項目的創始人之一。我們一直保持着聯繫，後來他幫助我來到了加州。

我們發現，一些孤獨症患者的一碳代謝（one-carbon metabolism）出現了異常。這個通路依賴葉酸（folate）和B族維生素。在孤獨症患者中，它受到輕微干擾，這可能是遺傳和營養因素共同導致的。

從醫學院畢業時，我就已經發表了幾篇關於孤獨症的論文。傑克·麥克馬漢讀了這些論文後問我：「你為什麼不來斯坦福呢？我有個同事的實驗室想往這個方向發展。」這位同事就是里卡多·多爾梅奇（Ricardo Dolmetsch）。幾年後，里卡多成為了諾華生物醫學研究所的全球神經科學負責人。

為這項研究尋找資助確實花了點時間，但我最終得到了IBRO提供的獎學金，來到了帕洛阿爾托（Palo Alto）。

我主要負責創造一個新的研究方法來了解人類大腦。

幾年前，加州大學舊金山分校和京都大學的山中伸彌（Shinya Yamanaka）已經發現如何從大鼠身上提取皮膚細胞並重新編輯，使其變回誘導性多能幹細胞（iPS cells）。幹細胞可以被誘導分化成多種類型的細胞，包括神經元。我認為山中會因此獲得諾貝爾獎。

在里卡多實驗室工作的時候，我想要探索將人類iPS細胞分化為神經元的方法。我的想法是先提取孤獨症兒童的皮膚細胞，將它們去分化為幹細胞，然後在培養皿中引導這些幹細胞分化成神經元。如果我們成功了，我們希望能夠跨越阻礙，更為完整地了解人類神經系統是如何發展的。這能讓我們更加清晰地了解孤獨症、癲癇和精神分裂症等神經精神疾病的生物基礎。

主要問題是人腦無法被直接拿來當做研究對象，這讓研究人員非常為難。

當脾臟或肝臟出現問題時，醫生可以對病變組織進行活檢分析。這種做法徹底革新了醫學。研究人員已經能夠提取病人的細胞，放在器皿里，以確定功能失調的機制，並用不同的化合物來恢復原有機制。這就是新藥的研發方式。

但是，除極少數情況外，我們不會鑽開活人的頭骨來直接研究人的大腦組織。這不僅是因為存在醫療風險，更有深層次的文化禁忌。我們傾向於將大腦與「我們」、「我們是誰」聯繫起來。如果直接接觸大腦，這樣的研究方法在某種程度上被視為是對「自我」的干擾。

回想我在醫學院臨床輪轉的經歷，我甚至有點嫉妒腫瘤科病房的同事。分子生物學革命，再加上他們能夠獲取感興趣部位的癌變組織，意味着他們可以研發新的治療方法。比如通過這種方式，在白血病方面就取得了很棒的進展。

對於孤獨症，我們一無所獲。我們無法確定造成這些疾病的機制，因為我們無法直接研究腦組織。即使我們可以，我們也不知道具體要探索什麼。

死後的大腦很難反應活體神經元的電活動。我們需要測量這種活動，因為這就是大腦中神經元的作用：發射電信號。

至於動物模型，它們在精神疾病研究中有局限性。人腦比大鼠甚至獼猴的大腦更為複雜。經過數百萬年的演化，我們與這些動物之間區別很大。我們已經見過無數的例子，有些藥物在齧齒動物身上非常成功，但在人類的臨床試驗中卻失敗了。

我想，如果可以自主培育一些活性人腦組織，那麼相關研究工作就能向前邁進。

是的。有一些人認為這是不可能的。他們認為，在轉化皮膚細胞時可能丟失原有疾病的病理特徵，這樣的話就無法獲得任何新發現了。

然而，在八個月內，我們從遺傳性孤獨症患者的皮膚上提取幹細胞，並成功從中分化出了功能完備的人類神經元。將之放在顯微鏡下，你可以觀察到它們發出的鈣信號。這證明我們並不是在做無用功。

我們通過細胞再編輯從皮膚細胞中提取出幹細胞，隨後誘導這些幹細胞分化成其他類型的細胞。

幹細胞喜歡分化。它們需要轉變成其他類型的細胞。實際上，它們很有可能默認地分化為神經元。你不需要額外做很多事情來培育神經元，但是誘導性措施會有所幫助。你要做的是，在幹細胞的培養基中增加或減少促進轉化的分子。

▷圖片來源：Hans Reniers

我們很快就有了數百萬個美麗的神經元。但壞消息是，我們的神經元粘在培養皿底部的單細胞層中，而在那裡經過數周的培養後，它們就會失活。如果我們要揭開人類大腦在幾個月內的發育情況，我們需要活性更為持久的神經元。

我想到了一個辦法。我購買了一套塗有抗粘物質的塑料實驗盤，我們在這些盤子裡培養細胞。神奇的是，這一招奏效了！細胞無法粘在盤子上，而是漂浮在維持其活性的培養基中，並聚集成了豌豆大小的小球。

起初，我們稱這些漂浮的細胞團為球狀體（spheroids）。後來，它們被稱為類器官（organoids）——類似某個特定的器官，但並非真實器官。

他們在三維空間中成長，四處移動並相互影響。重要的是，它們可以在培養皿中存活更長時間。

在合適的條件下，我們可以讓類器官存活900天。這讓我們能有一些新的觀察發現。例如，在大約第9或10個月時，這些細胞變得更像產後的神經元，而不是產前的神經元。它們似乎能夠感知時間的流逝，以及這對它們的發育意味着什麼。

跟你分享一個我們用類器官做的實驗吧。

有一種叫做22q11.2缺失綜合徵（22q11.2-deletion syndrome，又名迪格奧爾格綜合徵）的遺傳病，與第22條染色體缺失了一部分有關。此類病人患精神分裂症的風險是普通人的30倍。他們還可能患上孤獨症或其他神經精神疾病。我們招募了15名患者和15名健康的人作為對照組，並開始用他們捐贈的皮膚培育類似於大腦皮層的神經元。我們觀察到，來自患者的神經元出現了放電異常的現象，彼此之間無法正常交流。

現在，精神分裂症通常用精神抑制類藥物治療。我們先在培養皿中將病人的細胞培育成大腦皮質層類器官，然後將這類藥物加入其中。我們觀察到，這種藥物逆轉了神經元異常的放電問題。

這意味着，我們現在有辦法在培養皿中測試此類藥物的作用了。

類組裝體是我們六七年前提出的一種新的模型系統。它們是由至少兩種不同類型的類器官，或通過將類器官與其他特化細胞類型相結合而建立的三維細胞培養系統。通過它們的結合，我們可以觀察到它們之間密切互動產生的新細胞特性。

你可以把兩個類似不同腦區的類器官結合起來，觀察神經元如何相互投射，然後連接起來形成神經環路。或者，你可以將類器官與免疫細胞結合起來，觀察疾病中的神經免疫互動。

例如，有一種孤獨症類型非常罕見，它與一種叫做蒂莫西綜合徵（Timothy Syndrome）的遺傳疾病有關，是由一個編碼鈣通路的基因的單鹼基突變（single-letter mutation）引起的。過量的鈣在細胞接收電信號時進入細胞，干擾了神經元和其他可興奮細胞（excitable cell）內化學信號的傳輸。

我們從蒂莫西綜合徵患者身上提取皮膚細胞，培育成類組裝體，然後觀察其內部反應。我們觀察到，從患者細胞中生長出來的神經元會更為頻繁地移動，但它們的移動距離比健康對照組的神經元更短。最終，患者組的細胞組織速度落後於健康對照組。

你能見證整個過程！親眼所見！

有一種染料，可以給鈣元素着色。當鈣元素進入細胞時，你可以看到顏色深淺不一，這可以測量細胞的鈣含量。病人的細胞里鈣含量往往更高。

我們花了六年時間，去釐清這種鈣通路是如何導致這些特定類型的神經元出現運動缺陷的。患者體內鈣通路的突變影響了神經元中兩種不同的分子通路。重要的是，我們發現，要想恢復神經元的正常移動，我們需要兩種不同的藥物。我們想說，現在的發現為將來的治療方案打下了基礎。

如果沒有類組裝體，我們將永遠無法了解這一點，因為你需要細胞在三維空間中相互作用才能捕捉到這一發現。

十多年來，我們一直在培養皿中進行培育，試圖復刻人類神經系統的諸多方面。但是這些培養物也有局限性。我們所培育的神經元無法發育成正常大小。沒有像實際人腦那樣的行為輸出。而且，它們不能接收會影響其發育的感官輸入——大腦皮層需要接受感官信號。我們一直試圖為這些人類神經元提供一些有意義的外部輸入。

所以，下一步是在大鼠的大腦中培養人類神經元。我們將類腦器官移植到一隻幼鼠的大腦皮層中。該類腦器官在大鼠體內形成了血管組織，並最終生長到覆蓋其腦半球皮層的三分之一。

我認為動物模型和人類細胞模型是互補的。在這種情況下，將人類的類腦器官移植到動物身上能讓我們將人類神經元整合到大腦迴路中，以了解某些疾病的病理機制並進行藥物測試。這也是了解人類神經元在活體腦迴路中如何處理信息的另一種方式。

移植的人類神經元比在培養皿中維持發育的人類神經元大六倍左右。它們也具有更成熟的電生理特性，形成了更多的突觸，並且更接近產後人腦的神經元。

並沒有。在我們測試大鼠的認知和運動任務時並沒有發現行為差異。我們已經對此進行了驗證，這些大鼠沒有出現癲癇發作。然而，經過訓練，這些大鼠可以將人類神經元刺激與獎勵的傳遞聯繫起來。這為研究人類大腦疾病提供了前所未有的機會。

▷圖片來源：Zdeněk Macháček

我認為對於體外培養來說，它們只是一些細胞團。我們不認為它們是大腦。但當把它們移植到動物身上時，情況就變得更加微妙了。

他們跟我們緊密合作。一路走來，我一直與斯坦福大學和其他學校的倫理學家保持積極討論。我們所做的所有實驗都受到密切監測，並與倫理學家進行過討論。我們不是孤立地做實驗。我們在實驗之前和實施過程中都會與倫理學家保持溝通，討論實驗的影響和利弊。

我想過很多。但我認為這個故事與今天的科學並不完全相關。當今世界，我們可以開發出符合倫理道德的技術。這與研究者的動機有很大關係。我的長遠目標是找到一種治療甚至是治癒這些神經發育疾病的方法。這便是為我指明前路的北極星。

沒有。類器官研究與CRISPR技術主要區別之一是實驗所需的資源。用CRISPR技術做基因編輯只需要一些培訓和少量資源。你甚至在自家廚房就可以做到！我們所做的事情需要更多的時間和金錢。讓細胞存活900天是相當昂貴的，需要專門的培訓和設施。這就給了我們一些喘息的空間來處理我們的發現和它們所帶來的影響。

很少有地方擁有相關實驗必備的基礎設施和專業知識。我們正試圖複製人類的大腦發育，這需要很長的時間。揭示其背後隱藏的機制需要更長時間。過去15年，我每天都在從事這項工作。

我很有信心，但也不想不切實際。我們肯定比15年前要好。我們已經發現了許多與孤獨症有關的基因，現在也有了一些新的研究工具。但我們仍然需要了解這些變異基因是如何導致大腦出錯的，這樣才能研發出有效的藥物。

我只能誠實地說，我充滿了希望。但要真正治癒孤獨症，我們前路漫漫。此外，近年來科學家們在其他看似無藥可醫的疾病方面也取得了巨大突破。這給了我巨大的希望。