類器官研究揭示大腦天生預置“操作系統”

該芯片能精確定位毫米級組織中單個神經元的電活動。圖片來源：《自然·神經科學》

科技日報記者 張夢然

包括美國加州大學圣克魯茲分校、約翰斯·霍普金斯大學以及德國、瑞士多家機構聯合團隊，借助名為類器官的微型人腦組織模型，揭示了大腦天生預置“操作系統”。發表在《自然·神經科學》上的最新研究顛覆了傳統認知，表明大腦最早的神經元放電是以結構化模式進行的，且完全不依賴任何外部體驗。這一發現暗示，大腦在人出生前就已預設了如何與世界互動的基本“指令”。

人類長久以來一直在思索：思維究竟是何時開始形成的？大腦是天生就已配置好，還是思維模式僅隨著對周圍世界的感官體驗而逐漸形成？大腦的運作方式類似于計算機，依賴神經元的電信號“放電”來進行信息傳遞。然而，這些信號何時開始產生一直難以深入研究，因為早期發育中的人腦被保護在母體的子宮內，無法直接觀測。

在這項研究中，團隊引導干細胞發育成腦組織，然后使用類似計算機芯片的專用微電極陣列來記錄其電活動。在觀察腦組織從干細胞自我組裝成能夠處理感官信息，并最終產生語言和意識思維的復雜結構的過程中發現，在發育的最初幾個月內，遠在人腦能夠接收和處理視覺、聽覺等復雜外部感官信息之前，其內部細胞就已經開始自發地發出具有特定模式的電信號。這些信號的模式，與處理感官信息時所表現出的特征模式驚人地相似。

團隊在觀察類器官中單個神經元的放電活動時發現，即使沒有接收任何來自外部世界的感官輸入，神經元網絡也能夠自發地產生復雜且具有時間序列特征的放電活動。這強烈暗示了活體大腦的神經結構中，存在著一種固有的、由基因編碼決定的發育藍圖。

了解類器官能夠自發地產生活體大腦的基本神經結構，為更好地理解人類神經發育、神經系統疾病以及環境毒素對大腦的影響開辟了多種可能性。這些模型具備捕捉復雜神經動力學的基礎能力，而這些動力學很可能與某些發病機制密切相關。未來，團隊將在臨床前層面探索開發新的化合物、藥物療法或基因編輯工具。

總編輯圈點

種子還深埋于土壤中時，就具備破土而出的“潛力”。這不是種子后天“學會”的，而是生命進化寫入基因的底層程序。同理，人腦在發育之初，神經元就可以自發地發出復雜的電信號，與世界進行初步互動，為后續處理更復雜的外部感官信號做準備，這也是人類基因的底層編碼決定的。也就是說，新生嬰兒的大腦并非白紙一張，而是帶著基因為人腦預設的“出廠設置”。這一發現，有助于科學家更好地理解人腦發育機制，并有望為利用基因編輯等手段治療先天性神經疾病提供啟發。