机器学习算法无法区分这些实验室迷你大脑和早产儿

脑类器官 - 也称为迷你脑 - 是3D细胞模型，代表实验室中人脑的各个方面。脑类器官帮助研究人员跟踪人类发展，解开导致疾病的分子事件并测试新的治疗方法。当然，它们不是完美的复制品。脑类器官不会复制认知功能，但研究人员可以检查器官的物理结构或基因表达如何随着时间的推移或病毒或药物的变化而变化。

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的研究人员现在已经进一步采取了大脑类器官，实现了前所未有的神经网络活动水平 - 可以通过多电极阵列记录的电脉冲。根据早产三个半月出生的婴儿的数据，该团队开发了一种算法，根据脑电图模式预测他们的年龄。然后算法以相同的方式读取实验室培养的大脑类器官，并为它们分配一个年龄。

9个月大脑类器官的电脉冲模式显示出与达到足月(妊娠40周)的早产儿相似的特征。

这些新的优化大脑类器官，在2019年8月29日出版的细胞干细胞中描述，可能使研究人员能够研究不是由明显的生理变化引起或导致明显生理变化的精神疾病，而是涉及脑细胞网络的干扰。活动，如自闭症或癫痫。对于许多这些条件，没有相关的实验室或动物模型。

加州大学圣地亚哥分校医学院的儿科和细胞与分子医学教授，共同资深作者Alysson R. Muotri博士说：“我们一开始不相信它 - 我们认为我们的电极出现故障。”“因为数据非常引人注目，我想很多人都对此持怀疑态度，这是可以理解的。”Muotri与加州大学圣地亚哥分校社会科学部认知科学副教授Bradley Voytek博士一起领导了这项研究。

脑类器官的构建始于一个可能令人惊讶的来源：成人皮肤样本。在实验室中，研究人员将皮肤细胞转化为诱导多能干细胞(iPSCs)。像大多数干细胞一样，通过正确的分子因子混合物，iPSC可以被指导专门研究任何细胞类型。在这种情况下，它们变成脑细胞 - 例如，不同类型的神经元和神经胶质。

在加州大学圣地亚哥分校，大脑类器官被用来产生第一个直接的实验证据，证明巴西寨卡病毒可以导致严重的先天性缺陷，并将现有的艾滋病毒药物重新用于罕见的遗传性神经系统疾病。Muotri和团队最近也将他们的大脑类器官送到了国际空间站，以测试微重力对大脑发育的影响 - 也许是地球以外人类生命的前景。

在最新的研究中，Muotri及其同事优化了大脑器官结构的每一步。例如，它们从单个细胞开始，而不是在大多数方案中使用的细胞团块。他们还调整了为促进脑细胞组织而增加的因素的精确时间和浓度。他说，没有一个秘密成分或创新，而是随着时间的推移，有一些改进。

优化在细胞多样性和细胞网络活动方面得到了回报。例如，研究小组检测到一种特殊的灵长类动物特异性神经元，称为皮质GABA能神经元，从未在实验室培养皿中产生。根据Muotri的说法，这些细胞是神经网络复杂化的重要参与者。

为了测量细胞网络活动，研究人员在多电极阵列上培养了新近优化的脑类器官。电极捕获并记录电脉冲，其在EEG读出中表现为波浪和尖峰的图案。通过新协议，大脑类器官从每分钟产生3,000个尖峰到每分钟300,000个尖峰。

在人类中，随着年龄的增长，振荡会随着脑细胞连接的发展而变化。新生婴儿的大脑往往在电活动的尖峰之间有休息时间(没有波浪)。随着大脑的发育，这些安静的时期越来越短。随着时间的推移，大脑活动会变得不变，这些脑振荡模式通常与人类认知和疾病状态相关。

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