【科技 ‧ 未來】實驗室製「迷你腦」 三大方向造福人類

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受惠於技術突破,近年科學家能夠在實驗室內培養出各種「類器官」(organoid),除了腸、胃與肝臟,還包括我們的大腦。最近更有科學家不滿足於此,正試圖培養類似人類遠古近親尼安德塔人(Neanderthals)大腦的器官。

與此同時,上月底在《自然》期刊一篇由17位科學家共同撰寫的文章,呼籲各界討論腦部實驗的倫理問題。到底這些類腦器官有何用處?又有何隱憂?

科學家在實驗室內培養俗稱「迷你腦」的「類腦器官」(新加坡科技研究局 A*STAR 官網圖片)

所謂類腦器官(brain organoid),是科學家在實驗室中培養出來與人腦結構相似的組織,由於它們只有大約直徑半厘米大小,所以又被稱為「迷你腦」(mini-brain)。

突破傳統局限 剖析腦部疾病

過往科學家在腦部觀察上甚為棘手,解剖腦部的限制令他們無法觀察活體腦部運作;活體的掃描成像技術又被厚重的頭顱骨阻礙;動物模型有一定作用但無法完全應用至人類腦部。迷你腦可讓科學家在一定程度上更直接觀察腦部成長與運作。英國劍橋分子生物學實驗室(MRC Laboratory of Molecular Biology)神經科學家蘭卡斯特(Madeline Lancaster)形容,迷你腦就如開啟了一扇新的大門,通往更深入的腦部探索。

迷你腦將有助於更深入了解腦部相關疾病,例如寨卡病毒。 (視覺中國圖片)

若能夠直接觀察人腦,各種腦部相關疾病,從先天性的平腦症(lissencephaly),即大腦表面平滑無皺而腦細胞不足;到自閉症與相對較後發生的疾病,如抑鬱、癲癇、精神分裂,甚至阿茲海默症、柏金遜症等,病情和成因都可得到更深入的理解。例如人類的小頭症(microcephaly)成因不明,科學家以老鼠做實驗,無法參透小頭症成因。

然而蘭卡斯特從小頭症病人身上採集了皮膚細胞和幹細胞,發現所培養出的迷你腦,比正常人的更為迷你,而且神經元(neuron)的數量也明顯較少。觀察迷你腦的成長,最後更讓她發現成因在於病人的幹細胞出了問題,過早產生神經元而枯竭,以致新產生的神經元不足。

此外,曾指導蘭卡斯特的神經科學家諾布里奇(Jürgen A. Knoblich)在《科學人》(Scientific American)雜誌撰文指出,若以不同地區的各種寨卡(Zika)病毒株感染迷你腦,更有助找出為何寨卡只在某些地區或某些胎兒身上造成小頭症。

科學家以顯微鏡觀察「迷你腦」成長過程,或有助了解大腦發展及相關疾病。(Arlotta Lab; Broad Institute圖片)

改善藥物研發 取代動物實驗

迷你腦為神經發展和腦部疾病帶來新的觀點,更進一步的自然是有利於研發新的藥物和治療方法。以迷你腦作藥物研發測試,既避免動物試驗,藥物的成效和副作用也將更為準確,有望降低研發成本。科學家可以把基因技術應用於迷你腦,在實驗室中讓疾病相關基因變異,以觀察疾病成因,繼而研發和測試基因療法效果。

美國加州大學戴維斯分校(UC Davis)醫療中心的心血管及神經外科醫生華達奧(Ben Waldau)甚至預計,相關科技可使中風病人痊癒:「在斷層掃描可看到腦部受傷,但我們什麼也做不到,因此很多病人即使做過手術和復健,仍有癱瘓、麻痺等永久神經損害。有朝一日或可用病人的細胞,培養出他們所喪失的腦部結構。」

神經疾病十分普遍,據世界衞生組織(WHO)統計,全球逾5,000萬人患有癲癇;4,750萬人患有認知障礙症,當中六至七成源於阿茲海默症。他們將來或可得益於迷你腦研究。

比較物種腦部 探索人類特性

迷你腦在醫學的潛能固然可喜,但未必是蘭卡斯特最感興趣之處。她曾在TED演講上說,她一直為人類為何與別不同感到疑惑:「大象的腦部是人類的3倍大,人類比牠們聰明,因為人類大腦皮層的神經元數量遠多於牠們。但為什麼人類大腦神經元這麼多?眾多神經元又從何而來?」

想要回答這些問題卻不可以直接接觸我們的人腦,解決方法很簡單,就是造一個人腦出來。
英國劍橋分子生物學實驗室(MRC Laboratory of Molecular Biology)神經科學家蘭卡斯特(Madeline Lancaster)

科學家正製作尼安德塔人的迷你腦,或可比較出人類的獨特性。(視覺中國圖片)

一群科學家的研究或許能給蘭卡斯特一部分答案。尼安德塔人(Neanderthals)是一種腦部比我們大的史前人類,大約從4萬年前開始絕種,在歐洲留下不少洞穴壁畫。德國萊比錫普朗克演化人類學研究所(Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology)曾經重組他們的基因,也進行過多次實驗,最新的嘗試是培養尼安德塔人的類腦器官,觀察它們和人類的迷你腦在成長過程中,幹細胞分裂、發展和重組成立體腦部結構,以及神經細胞的連結方式,是否有所不同。

研究所基因部門總監柏保(Svante Pääbo)希望藉此找出人類的獨特性:「尼安德塔人是我們最近的近親,若我們要定義人類作為獨立的物種,就應該把人類和他們對比。我們將嘗試找出人類在神經細胞的功能上,與尼安德塔人有何基本差異,以解釋人類獨特的認知能力。」

潛力龐大的「迷你腦」在實驗室如何製作?而這些試驗又為何引起倫理爭議?詳見此報道其他文章:

前人大成加獨門秘方 造就迷你腦崛起

迷你腦引發倫理爭議:它們有意識嗎?

 

上文節錄自第112期《香港01》周報(2018年5月21日)《「迷你腦」引發探索大腦隱憂》。



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