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本文来自微信公众号:nextquestion (ID:gh_2414d982daee),翻译:Vicky,编辑:lixia,题图来自:视觉中国


一直以来,人们希望建立神经或精神疾病的实验模型,以便更深入地了解大脑或研发药物。最近,神经科学家塞尔吉·帕斯卡(Sergiu Paşca)成功将人类细胞植入幼鼠大脑。这些被植入的人类类脑器官可以自发扩散,与动物大脑深度融合。这项振奋人心的研究成果在Nature杂志上一经发布,便受到了脑科学研究领域的广泛关注。


在追问顶刊栏目中,我们邀请了3位科学家对这项研究进行了深入解读。前段时间,塞尔吉·帕斯卡也接受了知名记者克劳迪娅·德雷弗斯(Claudia Dreifus)的采访。我们对采访内容进行了编译与整理,供您阅读。

 

塞尔吉·帕斯卡,斯坦福大学精神病学和行为科学教授、吴蔡神经科学研究所所长


Q:您从小就想做科研吗?


是的,从小就向往。


我在罗马尼亚的特兰西瓦尼亚长大。小时候,我在自家地下室里建了一个实验室。我会向土壤中添加各种化学品,然后观察它们对植物生长的影响。有一次,我往土里添加了一种铜基分子,其中一株植物增长了20%。我从此迷上了研究。


Q:和儿时相比,现在的您已在实验室里培育神经细胞。您是如何从地下室走入实验室的呢?


说来话长。高中毕业时,我在一次全国化学竞赛中获奖。该奖项让我可以进入罗马尼亚任何一所大学。我选择了位于克卢日-纳波卡(Cluj-Napoca)的Iuliu Haţieganu医药大学。我的想法是成为一名研究型医生,因为世界需要更多这样的人。这是我当时的想法,也是我现在的观点。


不幸的是,进入医学院后,我发现资源很少:没有资助,没有实验要用的试剂。但我有一位非常敬业的教授,她自己拿出200欧元从德国订购了一个小型试剂盒,这在当时可是一笔巨款。然后我们花了一年时间来规划如何最大限度地利用这个试剂盒。


这是我第一次接触脑部疾病的研究。我一直在思考如何使用这个试剂盒来测试心血管疾病患者血液中的代谢物。但要获得有价值的研究成果,我需要测试数百,甚至数千名病人。但我们的试剂只够做50次测试。


有一天,在上统计学课时,我突然想到:如果研究只能针对一小群病人,唯一的办法就是研究一种罕见病。于是,我想到了孤独症。


Q:孤独症?这不算罕见吧,每50个人里就会有一人表现出孤独症的某些症状。


然而,20年前的我们还并不知道这些。


我的想法是看看我们是否能在孤独症儿童的血液中找到这种疾病的特征。为了进行这项研究,我需要说服孤独症儿童的父母捐献他们孩子的少量血液。在与这些父母沟通的过程中,我感到非常痛心,我也亲眼见证了这些家庭所经历的巨大痛苦。父母们想知道是什么导致了孩子的这种情况。


我当时只能回答:“目前我们什么也不清楚。”


我想,如果我们可以培育出人类大脑的活性组织,事情或许会有转机。


为了能给出更好的回答,我在布加勒斯特(Bucharest)报名参加了由国际脑研究组织(IBRO)提供的课程。该组织由来自美国和英国的神经科学家们组成,力图将先进的脑科学引入偏远国家。他们的科学陈述清晰明了,他们所描述的神经科学发现更是引人入胜,这让我非常兴奋。


我通过这次课程认识了杰克·麦克马汉(Jack McMahan),他是斯坦福大学神经生物学项目的创始人之一。我们一直保持着联系,后来他帮助我来到了加州。


Q:您刚才提到了代谢物研究,后来进展如何?


我们发现,一些孤独症患者的一碳代谢(one-carbon metabolism)出现了异常。这个通路依赖叶酸(folate)和B族维生素。在孤独症患者中,它受到轻微干扰,这可能是遗传和营养因素共同导致的


从医学院毕业时,我就已经发表了几篇关于孤独症的论文。杰克·麦克马汉读了这些论文后问我:“你为什么不来斯坦福呢?我有个同事的实验室想往这个方向发展。”这位同事就是里卡多·多尔梅奇(Ricardo Dolmetsch)。几年后,里卡多成为了诺华生物医学研究所的全球神经科学负责人。


为这项研究寻找资助确实花了点时间,但我最终得到了IBRO提供的奖学金,来到了帕洛阿尔托(Palo Alto)


Q:您在多尔梅奇的实验室里主要负责什么工作?


我主要负责创造一个新的研究方法来了解人类大脑。


几年前,加州大学旧金山分校和京都大学的山中伸弥(Shinya Yamanaka)已经发现如何从大鼠身上提取皮肤细胞并重新编辑,使其变回诱导性多能干细胞(iPS cells)。干细胞可以被诱导分化成多种类型的细胞,包括神经元。我认为山中会因此获得诺贝尔奖。


在里卡多实验室工作的时候,我想要探索将人类iPS细胞分化为神经元的方法。我的想法是先提取孤独症儿童的皮肤细胞,将它们去分化为干细胞,然后在培养皿中引导这些干细胞分化成神经元。如果我们成功了,我们希望能够跨越阻碍,更为完整地了解人类神经系统是如何发展的。这能让我们更加清晰地了解孤独症、癫痫和精神分裂症等神经精神疾病的生物基础。


Q:目前的研究面临哪些阻碍呢?


主要问题是人脑无法被直接拿来当做研究对象,这让研究人员非常为难。


当脾脏或肝脏出现问题时,医生可以对病变组织进行活检分析。这种做法彻底革新了医学。研究人员已经能够提取病人的细胞,放在器皿里,以确定功能失调的机制,并用不同的化合物来恢复原有机制。这就是新药的研发方式。


但是,除极少数情况外,我们不会钻开活人的头骨来直接研究人的大脑组织。这不仅是因为存在医疗风险,更有深层次的文化禁忌。我们倾向于将大脑与“我们”、“我们是谁”联系起来。如果直接接触大脑,这样的研究方法在某种程度上被视为是对“自我”的干扰。


回想我在医学院临床轮转的经历,我甚至有点嫉妒肿瘤科病房的同事。分子生物学革命,再加上他们能够获取感兴趣部位的癌变组织,意味着他们可以研发新的治疗方法。比如通过这种方式,在白血病方面就取得了很棒的进展。


对于孤独症,我们一无所获。我们无法确定造成这些疾病的机制,因为我们无法直接研究脑组织。即使我们可以,我们也不知道具体要探索什么。


Q:不能从非活体上获取脑组织吗?


死后的大脑很难反应活体神经元的电活动。我们需要测量这种活动,因为这就是大脑中神经元的作用:发射电信号。


至于动物模型,它们在精神疾病研究中有局限性。人脑比大鼠甚至猕猴的大脑更为复杂。经过数百万年的演化,我们与这些动物之间区别很大。我们已经见过无数的例子,有些药物在啮齿动物身上非常成功,但在人类的临床试验中却失败了。


我想,如果可以自主培育一些活性人脑组织,那么相关研究工作就能向前迈进。


Q:您的想法肯定饱受争议吧。


是的。有一些人认为这是不可能的。他们认为,在转化皮肤细胞时可能丢失原有疾病的病理特征,这样的话就无法获得任何新发现了。


然而,在八个月内,我们从遗传性孤独症患者的皮肤上提取干细胞,并成功从中分化出了功能完备的人类神经元。将之放在显微镜下,你可以观察到它们发出的钙信号。这证明我们并不是在做无用功。


Q:如何培育神经元呢?


我们通过细胞再编辑从皮肤细胞中提取出干细胞,随后诱导这些干细胞分化成其他类型的细胞。


干细胞喜欢分化。它们需要转变成其他类型的细胞。实际上,它们很有可能默认地分化为神经元。你不需要额外做很多事情来培育神经元,但是诱导性措施会有所帮助。你要做的是,在干细胞的培养基中增加或减少促进转化的分子。

我们很快就有了数百万个美丽的神经元。但坏消息是,我们的神经元粘在培养皿底部的单细胞层中,而在那里经过数周的培养后,它们就会失活。如果我们要揭开人类大脑在几个月内的发育情况,我们需要活性更为持久的神经元。

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我想到了一个办法。我购买了一套涂有抗粘物质的塑料实验盘,我们在这些盘子里培养细胞。神奇的是,这一招奏效了!细胞无法粘在盘子上,而是漂浮在维持其活性的培养基中,并聚集成了豌豆大小的小球。


起初,我们称这些漂浮的细胞团为球状体(spheroids)。后来,它们被称为类器官(organoids)——类似某个特定的器官,但并非真实器官。


Q:这些球状体中的细胞与单独的神经元有什么不同?


他们在三维空间中成长,四处移动并相互影响。重要的是,它们可以在培养皿中存活更长时间。


在合适的条件下,我们可以让类器官存活900天。这让我们能有一些新的观察发现。例如,在大约第9或10个月时,这些细胞变得更像产后的神经元,而不是产前的神经元。它们似乎能够感知时间的流逝,以及这对它们的发育意味着什么。


Q:这些类器官对您的研究来说有什么作用?


跟你分享一个我们用类器官做的实验吧。


有一种叫做22q11.2缺失综合征(22q11.2-deletion syndrome,又名迪格奥尔格综合征)的遗传病,与第22条染色体缺失了一部分有关。此类病人患精神分裂症的风险是普通人的30倍。他们还可能患上孤独症或其他神经精神疾病。我们招募了15名患者和15名健康的人作为对照组,并开始用他们捐赠的皮肤培育类似于大脑皮层的神经元。我们观察到,来自患者的神经元出现了放电异常的现象,彼此之间无法正常交流。


现在,精神分裂症通常用精神抑制类药物治疗。我们先在培养皿中将病人的细胞培育成大脑皮质层类器官,然后将这类药物加入其中。我们观察到,这种药物逆转了神经元异常的放电问题。


这意味着,我们现在有办法在培养皿中测试此类药物的作用了。


Q:您刚刚提到的是类器官,那什么是“类组装体”呢?


类组装体是我们六七年前提出的一种新的模型系统。它们是由至少两种不同类型的类器官,或通过将类器官与其他特化细胞类型相结合而建立的三维细胞培养系统。通过它们的结合,我们可以观察到它们之间密切互动产生的新细胞特性。


你可以把两个类似不同脑区的类器官结合起来,观察神经元如何相互投射,然后连接起来形成神经环路。或者,你可以将类器官与免疫细胞结合起来,观察疾病中的神经免疫互动。


例如,有一种孤独症类型非常罕见,它与一种叫做蒂莫西综合征(Timothy Syndrome)的遗传疾病有关,是由一个编码钙通路的基因的单碱基突变(single-letter mutation)引起的。过量的钙在细胞接收电信号时进入细胞,干扰了神经元和其他可兴奋细胞(excitable cell)内化学信号的传输。


我们从蒂莫西综合征患者身上提取皮肤细胞,培育成类组装体,然后观察其内部反应。我们观察到,从患者细胞中生长出来的神经元会更为频繁地移动,但它们的移动距离比健康对照组的神经元更短。最终,患者组的细胞组织速度落后于健康对照组。


Q:能实时见证这一过程肯定很激动人心。


你能见证整个过程!亲眼所见!


有一种染料,可以给钙元素着色。当钙元素进入细胞时,你可以看到颜色深浅不一,这可以测量细胞的钙含量。病人的细胞里钙含量往往更高。


我们花了六年时间,去厘清这种钙通路是如何导致这些特定类型的神经元出现运动缺陷的。患者体内钙通路的突变影响了神经元中两种不同的分子通路。重要的是,我们发现,要想恢复神经元的正常移动,我们需要两种不同的药物。我们想说,现在的发现为将来的治疗方案打下了基础。


如果没有类组装体,我们将永远无法了解这一点,因为你需要细胞在三维空间中相互作用才能捕捉到这一发现。


Q:在您最新发表的论文中,您宣称自己的实验室将人类神经元植入了大鼠大脑,并覆盖了其脑半球皮层的三分之一,与之大脑深度融合。您为什么要创造这个模型呢?


十多年来,我们一直在培养皿中进行培育,试图复刻人类神经系统的诸多方面。但是这些培养物也有局限性。我们所培育的神经元无法发育成正常大小。没有像实际人脑那样的行为输出。而且,它们不能接收会影响其发育的感官输入——大脑皮层需要接受感官信号。我们一直试图为这些人类神经元提供一些有意义的外部输入。


所以,下一步是在大鼠的大脑中培养人类神经元。我们将类脑器官移植到一只幼鼠的大脑皮层中。该类脑器官在大鼠体内形成了血管组织,并最终生长到覆盖其脑半球皮层的三分之一。


Q:我以为您不太喜欢将动物模型用于人脑研究,是什么让您改变了想法?


我认为动物模型和人类细胞模型是互补的。在这种情况下,将人类的类脑器官移植到动物身上能让我们将人类神经元整合到大脑回路中,以了解某些疾病的病理机制并进行药物测试。这也是了解人类神经元在活体脑回路中如何处理信息的另一种方式。


Q:所以,这些来自类器官的人类神经元已经有可能在大鼠大脑中生长,并且已经能够从动物那里获得输入信号和输出信号。我们应该如何将它们与只在类器官内生长的神经元做比较?又如何将它们与在我们自己大脑中生长的神经元做比较呢?


移植的人类神经元比在培养皿中维持发育的人类神经元大六倍左右。它们也具有更成熟的电生理特性,形成了更多的突触,并且更接近产后人脑的神经元。


Q:在被移植了这么多人类神经元的大鼠身上,您是否观察到任何行为差异?


并没有。在我们测试大鼠的认知和运动任务时并没有发现行为差异。我们已经对此进行了验证,这些大鼠没有出现癫痫发作。然而,经过训练,这些大鼠可以将人类神经元刺激与奖励的传递联系起来。这为研究人类大脑疾病提供了前所未有的机会。


Q:您觉得这些类组装体和类器官什么时候应该拥有某种法律权利?


我认为对于体外培养来说,它们只是一些细胞团。我们不认为它们是大脑。但当把它们移植到动物身上时,情况就变得更加微妙了。


Q:生物伦理学家对您的实验有什么看法?


他们跟我们紧密合作。一路走来,我一直与斯坦福大学和其他学校的伦理学家保持积极讨论。我们所做的所有实验都受到密切监测,并与伦理学家进行过讨论。我们不是孤立地做实验。我们在实验之前和实施过程中都会与伦理学家保持沟通,讨论实验的影响和利弊。


Q:您有联想过《弗兰肯斯坦》的故事吗?


我想过很多。但我认为这个故事与今天的科学并不完全相关。当今世界,我们可以开发出符合伦理道德的技术。这与研究者的动机有很大关系。我的长远目标是找到一种治疗甚至是治愈这些神经发育疾病的方法。这便是为我指明前路的北极星。


Q:珍妮弗·道德纳(Jennifer Doudna)因为CRISPR技术获得了诺贝尔奖。在她获奖的几年前,我曾问她是否担心这种基因编辑技术可能被滥用。她回答说,她担心的是“某些地区有急于改变人类胚胎的欲望”。您有没有担心过某天拿起报纸,发现某个地方的科学家利用您的研究发现,过早地制造出了人类大脑的一部分?


没有。类器官研究与CRISPR技术主要区别之一是实验所需的资源。用CRISPR技术做基因编辑只需要一些培训和少量资源。你甚至在自家厨房就可以做到!我们所做的事情需要更多的时间和金钱。让细胞存活900天是相当昂贵的,需要专门的培训和设施。这就给了我们一些喘息的空间来处理我们的发现和它们所带来的影响。


很少有地方拥有相关实验必备的基础设施和专业知识。我们正试图复制人类的大脑发育,这需要很长的时间。揭示其背后隐藏的机制需要更长时间。过去15年,我每天都在从事这项工作。


Q:您觉得,还需要多久才能探索出解决方案?


我很有信心,但也不想不切实际。我们肯定比15年前要好。我们已经发现了许多与孤独症有关的基因,现在也有了一些新的研究工具。但我们仍然需要了解这些变异基因是如何导致大脑出错的,这样才能研发出有效的药物。


Q:您的故事始于20年前的罗马尼亚,当时您不知道如何回答孤独症儿童父母的问题。如果现在故地重游,您会说些什么?


我只能诚实地说,我充满了希望。但要真正治愈孤独症,我们前路漫漫。此外,近年来科学家们在其他看似无药可医的疾病方面也取得了巨大突破。这给了我巨大的希望。


来源:https://www.quantamagazine.org/human-brains-are-hard-to-study-sergiu-pasca-grows-useful-substitutes-20221012/


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