2025年7月15日5時(shí)34分，中國天舟九號(hào)貨運(yùn)飛船成功發(fā)射，奔赴中國空間站。這次任務(wù)搭載了一位極其特殊的“乘客”——一張大小僅如信用卡的“腦類器官芯片”。這個(gè)由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研發(fā)的國際前沿裝置，將在太空環(huán)境中開展前所未有的腦科學(xué)研究。

天舟九號(hào)貨運(yùn)飛船上搭載的腦類器官芯片

（圖片來源：央視新聞）

那么，這個(gè)神奇的“腦類器官芯片”究竟是什么？它能用來研究哪些科學(xué)問題？為什么還要將它送上太空進(jìn)行研究？本篇文章，我們一起解析這個(gè)“微型大腦”的原理與研究價(jià)值。

“迷你大腦”及其構(gòu)建的奧秘

想象一下，從一小塊皮膚上提取的細(xì)胞，經(jīng)過科學(xué)家的精心“重編程”，就能變身為具有無限潛能的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）。這些神奇的細(xì)胞，在特制的“微型生態(tài)箱”里培養(yǎng)一段時(shí)間后，竟能自發(fā)組織、生長、分化，最終形成一個(gè)微縮版的人腦結(jié)構(gòu)——這就是被譽(yù)為現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)革命性工具的“腦類器官”（Cerebral Organoid）。

這項(xiàng)突破始于2013年。奧地利科學(xué)家Madeline Lancaster的團(tuán)隊(duì)首次在旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)體系中，成功誘導(dǎo)人類干細(xì)胞自發(fā)形成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的“迷你大腦”。這些米粒大小的組織，雖然遠(yuǎn)不及擁有860億神經(jīng)元的真實(shí)人腦，卻奇跡般地包含了多個(gè)腦區(qū)的雛形、活躍的神經(jīng)元和初步的分層結(jié)構(gòu)，能夠重現(xiàn)胎兒期大腦發(fā)育的關(guān)鍵特征。這標(biāo)志著人類在實(shí)驗(yàn)室里模擬大腦發(fā)育的夢(mèng)想，邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。

腦類器官

（圖片來源：維基百科）

那么，腦類器官具體是如何培育出來的呢？通常，它的起點(diǎn)是誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞(iPSC)?？茖W(xué)家可以從志愿者捐贈(zèng)的皮膚或血液樣本中輕松獲取普通細(xì)胞，通過特定技術(shù)將其重編程為誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞。隨后，這些細(xì)胞被置于精心配制的培養(yǎng)液中，模擬胚胎發(fā)育的微環(huán)境。

培育過程的關(guān)鍵在于三維培養(yǎng)技術(shù)：不同于傳統(tǒng)的扁平培養(yǎng)皿，這些細(xì)胞被包裹在特殊的凝膠基質(zhì)中，并被放置在不斷旋轉(zhuǎn)的小型生物反應(yīng)器里。這種環(huán)境更接近體內(nèi)條件，促使細(xì)胞自我組織、相互通信。它們會(huì)自發(fā)分化出神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞等多種腦細(xì)胞類型，并像搭積木一樣，逐步構(gòu)建出類似大腦皮層的分層結(jié)構(gòu)。

腦類器官的應(yīng)用：在培養(yǎng)皿中“再現(xiàn)”疾病

培育出了腦類器官，可以用來做什么呢？其中最令人震撼的應(yīng)用之一，是直接在培養(yǎng)皿中“重建”人類腦部疾病，特別是那些難以在動(dòng)物模型中完美復(fù)現(xiàn)的神經(jīng)發(fā)育障礙。

2015-2016年，寨卡病毒（Zika virus）在美洲大范圍爆發(fā)。當(dāng)時(shí)還有一個(gè)令人心碎的現(xiàn)象：許多感染了寨卡病毒的孕婦，生下的嬰兒出現(xiàn)了嚴(yán)重的小頭畸形癥（Microcephaly），大腦發(fā)育嚴(yán)重受損。但病毒究竟是如何導(dǎo)致這種后果的？當(dāng)時(shí)科學(xué)界急需確鑿的證據(jù)。

2016年，美國約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)，利用腦類器官技術(shù)給出了關(guān)鍵答案。他們使用了一種革命性的工具——低成本、易操作的3D打印小型旋轉(zhuǎn)生物反應(yīng)器（SpinΩ），高效地培養(yǎng)出包含前腦、中腦、下丘腦等多種腦區(qū)結(jié)構(gòu)、具有清晰分層的人類腦類器官。

SpinΩ功能示意圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

研究人員將寨卡病毒注入這些正在發(fā)育的類器官。借助這個(gè)強(qiáng)大的模型，他們首次直觀地觀察到：寨卡病毒會(huì)精準(zhǔn)攻擊一類對(duì)大腦發(fā)育至關(guān)重要的細(xì)胞——神經(jīng)祖細(xì)胞（尤其是放射狀膠質(zhì)細(xì)胞）。病毒導(dǎo)致這些“建筑工”細(xì)胞大量死亡，嚴(yán)重破壞了腦組織的正常構(gòu)建過程，最終導(dǎo)致類器官皮層變薄、整體尺寸顯著縮小，完美模擬了臨床上的小頭畸形癥狀。

這項(xiàng)發(fā)表在期刊《Cell》上的研究，為寨卡病毒與小頭畸形的直接關(guān)聯(lián)提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這種“在培養(yǎng)皿中重建疾病”的方法，為研究病毒如何破壞胎兒大腦發(fā)育打開了新大門，也為未來開發(fā)抗病毒藥物和疫苗提供了至關(guān)重要的可視化研究平臺(tái)。

超越結(jié)構(gòu)：培養(yǎng)皿中的“智能”火花

腦類器官的價(jià)值不僅在于模擬結(jié)構(gòu)，更在于探索功能。2022年10月，另一項(xiàng)轟動(dòng)研究成果橫空出世。澳大利亞Cortical Labs的研究團(tuán)隊(duì)在《Neuron》雜志上發(fā)表了令人驚嘆的研究：他們成功讓培養(yǎng)皿中的腦細(xì)胞學(xué)會(huì)了“打電子乒乓球”游戲！

這個(gè)被稱為DishBrain（培養(yǎng)皿大腦）的系統(tǒng)，并非完整的腦類器官，而是在高密度微電極陣列（HD-MEA）芯片上培養(yǎng)的約80萬個(gè)活體腦細(xì)胞，其來源包括人類iPSC分化的皮質(zhì)神經(jīng)元和小鼠胚胎神經(jīng)元。研究人員將這套系統(tǒng)命名為Cyborg（賽博格）。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，電極負(fù)責(zé)向神經(jīng)元傳遞“球”的位置信息，神經(jīng)元?jiǎng)t通過產(chǎn)生電信號(hào)來嘗試移動(dòng)屏幕上的“球拍”進(jìn)行回?fù)簟?/p>

驚人的是，DishBrain僅僅用了約5分鐘就掌握了游戲的基本規(guī)則并展現(xiàn)出目標(biāo)導(dǎo)向的學(xué)習(xí)行為！而完成同樣任務(wù)的人工智能（AI）算法則需要大約90分鐘（這里的AI指?jìng)鹘y(tǒng)算法，無法與大型深度學(xué)習(xí)模型等復(fù)雜AI系統(tǒng)直接比較）。研究人員還發(fā)現(xiàn)，人類神經(jīng)元在游戲中表現(xiàn)出的學(xué)習(xí)能力明顯優(yōu)于小鼠神經(jīng)元，這或許與人腦神經(jīng)元獨(dú)特的結(jié)構(gòu)（如更長的樹突、更高的密度）有關(guān)。

DishBrain“掌握”乒乓球游戲?qū)嶒?yàn)流程圖

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

這項(xiàng)研究首次證明，即使是最基礎(chǔ)的體外培養(yǎng)的腦細(xì)胞群體，也能表現(xiàn)出內(nèi)在的智能和學(xué)習(xí)能力，并主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境變化。它不僅挑戰(zhàn)了我們對(duì)智能本質(zhì)的理解，也為開發(fā)更高效、更接近生物智能的新一代人工智能提供了靈感來源。

飛向太空的“迷你大腦”

腦類器官的研究步伐并未止步于地球?qū)嶒?yàn)室。此次搭載天舟九號(hào)貨運(yùn)飛船奔赴中國空間站的“腦類器官芯片”，其核心正是利用人類干細(xì)胞構(gòu)建的腦類器官。

這個(gè)芯片內(nèi)的“迷你大腦”并非簡單結(jié)構(gòu)，它包含了人類大腦的多種神經(jīng)細(xì)胞、免疫細(xì)胞，并正在嘗試模擬包括微血管網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的復(fù)雜腦環(huán)境，能夠真實(shí)地模擬人腦的微環(huán)境和功能?？茖W(xué)家們將其送入太空，目標(biāo)直指一個(gè)困擾航天醫(yī)學(xué)已久的問題：長期駐留在太空可能影響宇航員的認(rèn)知功能（如頭暈、睡眠障礙、注意力下降），這背后的原因還是未知的?；蛟S，通過迷你大腦可以研究太空環(huán)境對(duì)人類大腦的影響機(jī)制，為太空的長期駐留生存和健康保障提供新的策略和干預(yù)手段。

同時(shí)，太空環(huán)境如同一個(gè)“加速衰老器”?？臻g站中的多種環(huán)境因素（如輻射、微重力應(yīng)激）被認(rèn)為會(huì)加速細(xì)胞和組織器官的老化過程。通過觀察“迷你大腦”在太空中的變化，科學(xué)家希望能找到與神經(jīng)退行性疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ?、帕金森?。┫嚓P(guān)的關(guān)鍵生物標(biāo)記物和變化機(jī)制。

從實(shí)驗(yàn)室奇觀到科學(xué)燈塔

從模擬胎兒發(fā)育和致命病毒感染，到展現(xiàn)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)能力，再到飛向太空探索宇宙環(huán)境對(duì)人腦的影響，培養(yǎng)皿中的“迷你大腦”已經(jīng)從一項(xiàng)令人驚嘆的實(shí)驗(yàn)室奇觀，發(fā)展成為探索人類大腦奧秘、攻克腦部疾病、甚至啟發(fā)人工智能設(shè)計(jì)的強(qiáng)大科學(xué)工具。

雖然目前的腦類器官還缺乏完整的腦區(qū)連接、關(guān)鍵細(xì)胞類型和足夠的規(guī)模，尚無法模擬人類復(fù)雜的認(rèn)知、情感和意識(shí)活動(dòng)，但其展現(xiàn)出的自我組織能力和對(duì)特定功能的模擬潛力已經(jīng)令人無比振奮。

這些在培養(yǎng)皿中靜靜生長、釋放電信號(hào)的“微型腦組織”，正為我們揭示生命早期發(fā)育的密碼、疾病侵襲的路徑、智能涌現(xiàn)的規(guī)律，乃至為人類邁向深空所必須應(yīng)對(duì)的神經(jīng)適應(yīng)性挑戰(zhàn)提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Qian, Xuyu, et al. “Brain-region-specific organoids using mini-bioreactors for modeling ZIKV exposure.”Cell165.5 (2016): 1238-1254.

[2]Kagan, Brett J., et al. “In vitro neurons learn and exhibit sentience when embodied in a simulated game-world.”Neuron110.23 (2022): 3952-3969.

出品：科普中國

作者：鄭勝杰（計(jì)算與神經(jīng)系統(tǒng)學(xué)博士生）

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