現代科學研究表明,人腦中以特定頻率發生的動作電位被稱為神經振蕩,或稱
腦電波。其中至少有四個重要的波段:α波、β波、θ波、δ波,這些不同頻率的腦電波與人的不同的精神狀態有關,例如,
α波能使人感到放松、注意力集中,精英特速讀記憶訓練的背景音樂就以巴洛克音樂導出a波,讓訓練者以最輕松的狀態掌握速讀記憶。腦電波也與不同疾病有關聯,所以,人造大腦(類腦器官)要想成為科學家需要的疾病模型,就必須能夠產生腦電波或其他電活動。
類腦器官于2013年首次被提出,這些“迷你大腦”僅有豌豆大小,卻能夠重現關鍵的腦功能,因此被用來模擬和研究遺傳疾病、主要精神疾病、阿茲海默癥等神經退行性疾病,甚至人類演化。
但是,類腦器官要想成為科學家需要的疾病模型,就必須能夠產生腦電波或其他電活動,現在,一篇最近發表的文章發現迷你大腦確實可以產生腦電波。
由克萊伯•特魯希略(Cleber Trujillo)領導,包括艾里森•穆奧特里(Alysson Muotri)在內的研究團隊記錄到了類腦器官在10個月內產生的電活動。其他的類腦器官研究一般只關注前幾個月中的類器官發育,因為迷你大腦僅兩個月就長出了清晰的輪廓結構并停止生長,而這項新研究表明,類腦器官的培育時間越久,它們的細胞組成就越復雜,神經元的電活動也越復雜。
特魯希略及其同事發現在第4個月時,類器官出現了類似于我們人腦睡眠時產生的緩慢腦電波。甚至當它們形成一定結構并停止長大后,細胞類型的組成仍在變化,且細胞多樣性隨時間不斷增長,這些細胞改變很有可能與腦電波模式的改變相關。
為檢驗這些成熟的類腦器官能在多大程度上模擬人腦,研究者將類腦器官產生的電波與早產兒的腦電圖(EGG)進行了對比。他們使用早產兒的腦波數據訓練機器學習算法,再將其應用到類腦器官上。他們發現某些特定的大腦功能,例如自發活動轉變(形成更復雜神經連接必不可少的大腦活動爆發),在早產兒大腦中和在類腦器官中非常相似,且培養越久的類腦組織越接近。換句話說,在成長10個月后,類腦器官開始出現與胎兒大腦相近的電活動。
這是首次擁有了不僅能夠在結構和細胞組成上,還能在某些大腦功能上模擬胎兒大腦的類腦器官。但這帶來了復雜的倫理問題,也質疑了人們能否在類腦器官研究上再向前走,在不久的將來,也許人們能在實驗室中創造出意識,一些哲學家和科學家對此表示擔憂。
慶幸的是微擾復雜性指數(簡稱PCI,是一項可以成為在類器官研究中防止科學家跨過道德和倫理紅線的工具)的出現,解決了科學家和哲學家們擔心的科學進步帶來的倫理和道德問題。雖然PCI尚未在人類中得到徹底驗證,但已被提議作為一種測試昏迷和無意識患者
大腦活動的方法。通過使用一些相對無害的方法,如經顱磁刺激(一種用磁線圈刺激腦的方法),醫生和科學家可以暫時中斷大腦的正常活動,并測量其恢復的速度,這可以提供一些關于病人或類腦器官意識程度的線索。
可以說,類器官研究的進展是令人興奮的,相比其他針對疾病機制的研究,它打開了治療阿茲海默癥、帕金森癥和精神分裂癥等我們仍感棘手的人類神經疾病的大門。不過,類器官領域有些特殊,需要不同專家的投入,以確保我們釋放這些微型器官的全部潛力時合乎倫理規范且認真負責,以期幫助全世界的患者。