該芯片能精確定位毫米級(jí)組織中單個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)。圖片來源：《自然·神經(jīng)科學(xué)》

科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

包括美國加州大學(xué)圣克魯茲分校、約翰斯·霍普金斯大學(xué)以及德國、瑞士多家機(jī)構(gòu)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，借助名為類器官的微型人腦組織模型，揭示了大腦天生預(yù)置“操作系統(tǒng)”。發(fā)表在《自然·神經(jīng)科學(xué)》上的最新研究顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知，表明大腦最早的神經(jīng)元放電是以結(jié)構(gòu)化模式進(jìn)行的，且完全不依賴任何外部體驗(yàn)。這一發(fā)現(xiàn)暗示，大腦在人出生前就已預(yù)設(shè)了如何與世界互動(dòng)的基本“指令”。

人類長(zhǎng)久以來一直在思索：思維究竟是何時(shí)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(duì)周圍世界的感官體驗(yàn)而逐漸形成？大腦的運(yùn)作方式類似于計(jì)算機(jī)，依賴神經(jīng)元的電信號(hào)“放電”來進(jìn)行信息傳遞。然而，這些信號(hào)何時(shí)開始產(chǎn)生一直難以深入研究，因?yàn)樵缙诎l(fā)育中的人腦被保護(hù)在母體的子宮內(nèi)，無法直接觀測(cè)。

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)引導(dǎo)干細(xì)胞發(fā)育成腦組織，然后使用類似計(jì)算機(jī)芯片的專用微電極陣列來記錄其電活動(dòng)。在觀察腦組織從干細(xì)胞自我組裝成能夠處理感官信息，并最終產(chǎn)生語言和意識(shí)思維的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的過程中發(fā)現(xiàn)，在發(fā)育的最初幾個(gè)月內(nèi)，遠(yuǎn)在人腦能夠接收和處理視覺、聽覺等復(fù)雜外部感官信息之前，其內(nèi)部細(xì)胞就已經(jīng)開始自發(fā)地發(fā)出具有特定模式的電信號(hào)。這些信號(hào)的模式，與處理感官信息時(shí)所表現(xiàn)出的特征模式驚人地相似。

團(tuán)隊(duì)在觀察類器官中單個(gè)神經(jīng)元的放電活動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，即使沒有接收任何來自外部世界的感官輸入，神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)也能夠自發(fā)地產(chǎn)生復(fù)雜且具有時(shí)間序列特征的放電活動(dòng)。這強(qiáng)烈暗示了活體大腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)中，存在著一種固有的、由基因編碼決定的發(fā)育藍(lán)圖。

了解類器官能夠自發(fā)地產(chǎn)生活體大腦的基本神經(jīng)結(jié)構(gòu)，為更好地理解人類神經(jīng)發(fā)育、神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及環(huán)境毒素對(duì)大腦的影響開辟了多種可能性。這些模型具備捕捉復(fù)雜神經(jīng)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)能力，而這些動(dòng)力學(xué)很可能與某些發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。未來，團(tuán)隊(duì)將在臨床前層面探索開發(fā)新的化合物、藥物療法或基因編輯工具。

總編輯圈點(diǎn)

種子還深埋于土壤中時(shí)，就具備破土而出的“潛力”。這不是種子后天“學(xué)會(huì)”的，而是生命進(jìn)化寫入基因的底層程序。同理，人腦在發(fā)育之初，神經(jīng)元就可以自發(fā)地發(fā)出復(fù)雜的電信號(hào)，與世界進(jìn)行初步互動(dòng)，為后續(xù)處理更復(fù)雜的外部感官信號(hào)做準(zhǔn)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?yàn)槿四X預(yù)設(shè)的“出廠設(shè)置”。這一發(fā)現(xiàn)，有助于科學(xué)家更好地理解人腦發(fā)育機(jī)制，并有望為利用基因編輯等手段治療先天性神經(jīng)疾病提供啟發(fā)。