美國科學(xué)家制造三維模型模擬大腦功能

腦科學(xué)的研究一直是全世界科學(xué)界的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。近年來，隨著各種神經(jīng)成像技術(shù)和神經(jīng)信息處理手段的不斷豐富，腦研究逐步由認(rèn)識大腦的結(jié)構(gòu)和功能部件轉(zhuǎn)向認(rèn)識更為深入的神經(jīng)功能和系統(tǒng)性機(jī)理。在這一過程中，工程技術(shù)手段和數(shù)理方法的運(yùn)用、人文社會科學(xué)的滲入，使得腦科學(xué)研究成為具有學(xué)科交叉和綜合特點(diǎn)的重要的科學(xué)前沿。

據(jù)悉，對于腦的高級功能，諸如感知、運(yùn)動控制、學(xué)習(xí)記憶、情緒、語言、意識等的認(rèn)識，可能會取得突破性的進(jìn)展。由于大腦是生物體內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能最復(fù)雜的組織，需要從分子、細(xì)胞系統(tǒng)、全腦、和行為等不同層次進(jìn)行研究和整合，才有可能揭示其奧秘，復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們目前的認(rèn)識能力。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究對于解決人腦對復(fù)雜信息的獲取、處理與加工及高級認(rèn)識功能機(jī)制方面顯得蒼白無力，因此，在短時間內(nèi)還難以有較大的突破。

最近，美國科學(xué)家在腦科學(xué)研究中取得了一項(xiàng)進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室里制造的一個類似甜甜圈的東西，可以模仿腦組織的一項(xiàng)基本功能。這個圓圈的環(huán)狀部分由絲材料制成，圈里面填的是膠原蛋白凝膠。

生物工程師在培養(yǎng)皿中制成了相當(dāng)于原始灰質(zhì)和白質(zhì)的材料，其中用了大鼠神經(jīng)元，這些神經(jīng)元能通過圓圈中間的物質(zhì)相互交換信號。當(dāng)科學(xué)家讓重物掉到這個圓圈上，以模擬創(chuàng)傷性損傷時，這個三維大腦模型中的神經(jīng)元釋放出了化學(xué)信號和電信號，與受傷動物的大腦釋放的信號類似。

專家們表示，這是科學(xué)家首次能在實(shí)驗(yàn)室里如此逼真地模仿大腦功能。如果研究人員能用人的神經(jīng)元重建這個模型，并提升到足以反映其他一些神經(jīng)系統(tǒng)功能的水平，這個模型可用于研究疾病，研究創(chuàng)傷情況和治療大腦，從而避免人體臨床試驗(yàn)的高費(fèi)用和倫理問題。

該研究由美國塔夫茨大學(xué)生物工程系主任戴維·卡普蘭主持，于最近發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》上。這是用生物醫(yī)學(xué)工程手段制造器官—比如心臟、肺和肝臟—仿真模型的一個最新例子。

過去，研究人類大腦發(fā)育的工作大多依賴于動物實(shí)驗(yàn)，或人死亡后獲取的大腦切片。以上兩種手段都有用，但都有局限性。卡普蘭研究小組的研究人員將絲制材料做成一個圓圈，在其中心添加了膠原蛋白凝膠。軸突從圓圈的一邊長出來，通過替代白質(zhì)的凝膠，把信號發(fā)送給圓圈另一邊的神經(jīng)元。通過添加營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子，科學(xué)家把這個類似腦的組織放在孵化器中，讓其存活了2個月，然后開始在它上面做試驗(yàn)。

為了模擬腦外傷，他們從不同高度讓重物掉到模型上。卡普蘭稱，這個培養(yǎng)皿中的大腦“沒有四處飛濺”，其反應(yīng)更像是“廚房里的海綿，先是向下壓縮，然后部分反彈起來”。他說，大腦受傷會導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸激增，而對模型中谷氨酸的測量顯示，“受傷越重，激增的峰值越高”。

卡普蘭稱，他的研究小組正在努力讓這個類似腦的組織存活6個月，還要用上從干細(xì)胞生成的人類神經(jīng)元。他打算加建一個大腦血管系統(tǒng)的模型，讓研究人員得以觀察當(dāng)藥物通過血腦屏障時會發(fā)生什么。他的最終目標(biāo)，是讓生物工程模型能被用于“所有的研究，從藥物到疾病，到手術(shù)效果，再到植入電極”，他說：“我的意思是，可做的研究多得沒完沒了?！?