发布日期：2026-02-03 16:47    点击次数：138

在一个培养皿里，两团米粒大小的人造组织正在发生一场精密的神经舞蹈。一团是模拟大脑皮层的类器官，另一团是仿制丘脑的结构。名古屋大学的研究团队将它们放在一起培养，结果观察到神经纤维像藤蔓一样从一团延伸到另一团，彼此寻找对方，建立连接，形成突触。这不是科幻小说，而是一项发表在《美国国家科学院院刊》上的真实研究，它揭示了人脑如何自我组装的核心秘密。

研究团队发现，丘脑在塑造大脑皮层的神经回路中扮演着中央指挥官的角色。这个位于大脑深处的结构，长期被视为感觉信息的中继站，如今被证明是决定皮层神经元如何连线的关键组织者。

组装体技术让不可能成为现实

研究人类大脑发育一直面临根本性障碍。你不能在人体内植入电极观察胎儿大脑如何长出神经回路，也不能从活人身上切下脑组织拿到实验室研究。动物模型虽然有用，但小鼠大脑和人脑之间的差异远比我们想象的大，特别是在皮层结构和神经回路的组织方式上。

类器官技术的出现打开了一扇新窗。科学家从成年人的皮肤细胞或血液细胞开始，通过重编程技术将它们逆转为诱导多能干细胞，然后在特定的培养条件下诱导这些干细胞分化成神经元，自发组织成三维结构。这些类器官可以模拟真实大脑组织的许多特征，包括不同类型的神经元、神经胶质细胞，甚至出现电活动。

但单个类器官有个致命缺陷，它只能模拟大脑的一个区域。大脑的魔力在于不同区域之间的连接和互动，视觉皮层需要从丘脑接收信息，前额叶需要和边缘系统对话，这些跨区域的回路在单一类器官中无法重现。

组装体技术解决了这个问题。名古屋大学教授大坂田文孝和他的团队分别培养出皮层类器官和丘脑类器官，然后在发育的关键阶段将它们物理融合在一起。融合后的结构不是简单的拼接，两个类器官会主动寻找对方，长出轴突建立真正的神经连接。

丘脑信号如何雕刻皮层回路

融合14天后，研究团队在显微镜下看到了令人震撼的景象。来自丘脑的轴突，标记为粉色荧光，延伸进入绿色荧光标记的大脑皮层。反过来，皮层的轴突也生长到丘脑区域。这些轴突彼此形成突触，就像人脑中的丘脑皮层回路一样。

融合后14天，丘脑（粉色）中的轴突延伸至大脑皮层，而大脑皮层（绿色）中的轴突则延伸至丘脑。图片来源：Fumitaka Osakada

更重要的发现来自基因表达分析。研究团队比较了组装体中的皮层组织和独立培养的皮层类器官，发现有丘脑相连的皮层组织成熟度明显更高。一系列与神经元分化、突触形成和回路完善相关的基因在组装体皮层中表达水平更高。这证明丘脑不仅仅是被动地接收皮层投射，它主动分泌信号分子，调控皮层神经元的发育。

神经活动记录揭示了更精细的机制。研究团队使用钙成像技术观察神经元的放电模式，发现活动以波状形式从丘脑传递到皮层，在皮层神经元之间引发同步放电。这种同步活动不是随机的，澳客app而是选择性地出现在特定类型的神经元中。

大脑皮层的兴奋性神经元主要分三类。端脑内神经元只在皮层内部形成连接，锥体束神经元向脊髓等皮层外区域投射，皮层丘脑神经元则将信号反馈回丘脑。研究发现，只有后两类神经元，也就是那些向皮层外投射的神经元，才表现出与丘脑同步的放电模式。端脑内神经元则保持独立的活动节律。

这个发现意义重大。它说明丘脑信号选择性地强化了那些需要与其他脑区通讯的神经元，帮助它们形成功能性网络并达到成熟状态。这就像一个指挥家，不是让所有乐器齐奏，而是精确地调动小提琴组和大提琴组，让它们在特定时刻协调演奏。

从自闭症到精神分裂症的新线索

这项研究不仅是基础神经科学的进展，更为理解神经发育障碍提供了新视角。自闭症谱系障碍患者的大脑成像研究一直显示丘脑皮层连接存在异常。一些研究发现自闭症儿童的丘脑体积异常，另一些研究显示丘脑和特定皮层区域之间的功能连接减弱或过强。

但这些影像学发现无法回答因果问题，是丘脑异常导致了皮层回路发育不良，还是皮层的问题反过来影响了丘脑。组装体模型为回答这个问题提供了可能。研究团队可以用自闭症患者的细胞制作类器官，观察他们的丘脑和皮层如何互动，回路形成过程中哪个环节出了问题。

精神分裂症同样与丘脑皮层回路异常有关。患者的丘脑过滤无关信息的能力受损，导致大量感觉输入涌入皮层，可能是幻觉和妄想的神经基础。通过在组装体中重现这些异常，研究者可以测试不同药物对回路功能的影响，为开发新疗法提供平台。

当前神经精神疾病的动物模型存在根本性局限。小鼠没有人类复杂的认知能力，很难模拟思维障碍或社交缺陷。而且许多与神经发育障碍相关的基因在人和鼠之间功能不同，动物实验的发现往往无法转化到临床。人源性组装体绕过了这个障碍，虽然它无法完全复制真实大脑的复杂性，但提供了一个研究人类特异性神经回路的窗口。

培养皿里的神经未来

这项研究还只是个开始。目前的组装体只包含两个脑区，而真实大脑有数十个相互连接的区域。斯坦福大学等机构的研究团队正在尝试构建包含三个、四个甚至更多区域的复杂组装体，有的包括脊髓、丘脑和皮层，模拟从感觉输入到意识感知的完整通路。

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类器官的培养时间也在延长。过去类器官只能存活几个月，现在有团队成功将培养时间延长到五年，神经元表现出与真实大脑相似的老化特征。这为研究阿尔茨海默病等退行性疾病提供了新模型。

技术进步还在继续。新一代钙成像和光遗传学技术可以精确记录和操控单个神经元的活动，空间转录组学能够绘制每个细胞的基因表达图谱，3D生物打印技术有望按预定结构排列不同类型的类器官。

大坂田文孝对未来充满期待，"我们通过复制人脑，在建构主义方法理解人脑方面取得了重大进展。我们相信这些发现将有助于加速发现神经和精神疾病的潜在机制，以及开发新的疗法。"

从培养皿里长出的迷你大脑，正在帮助我们解答最古老也最深刻的问题，我们的思维、情感和意识如何从数百亿神经元的连接中涌现出来。而现在我们知道，在这场宏大的自我组装过程中，丘脑一直是那个隐秘的指挥家。

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