关键要点
- 新发现表明，大脑在感官体验发生前就已具有预设的结构化活动模式。
- 加利福尼亚大学圣克鲁兹分校研究人员利用脑类器官研究大脑最早的电活动。
- 理解早期脑活动模式对诊断和治疗发育性脑部障碍具有重要意义。
人类长期以来一直好奇我们何时以及如何开始形成思想。我们是生来就拥有预设的大脑，还是思维模式只有在对外部世界的感官体验作出反应时才开始出现？如今，科学正逐渐接近回答哲学家们几个世纪以来思考的问题。
加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的研究人员正在使用称为类器官的人脑组织微小模型，研究大脑中最早的电活动时刻。发表在《自然神经科学》上的一项新研究发现，大脑的最早放电以结构化模式出现，无需任何外部体验，这表明人类大脑预先配置了关于如何与世界互动的指令。
"这些细胞显然在相互作用并形成电路，在我们体验到外部世界的任何事物之前就已自组装，"工程学院巴金学院的生物分子工程助理教授、该研究的资深作者塔尔·夏尔夫（Tal Sharf）表示。"存在一个操作系统，它在原始状态下出现。在我的实验室中，我们培养脑类器官，以窥探这个原始版本的大脑操作系统，并研究大脑如何在感官体验塑造之前自行构建。"
在提高对人类大脑发育基本理解方面，这些发现可帮助研究人员更好地理解神经发育障碍，并确定农药和微塑料等毒素对发育中大脑的影响。
夏尔夫手持基于CMOS的微电极阵列芯片。这些设备包含数千个微型放大器，用于三角测量毫米大小类器官组织中单个神经元的电活动。
研究发育中的大脑
大脑类似于计算机，依靠电信号运行——即神经元的放电。这些信号何时开始放电以及人类大脑如何发育，是科学家难以研究的课题，因为早期发育的人类大脑受到子宫的保护。
类器官是在实验室中由人类干细胞生长的3D组织模型，为大脑发育提供了独特窗口。加利福尼亚大学圣克鲁兹分校的Braingeneers小组与加利福尼亚大学旧金山分校、加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的研究人员合作，正在开创培养这些模型并从中获取测量数据的方法，以深入了解大脑发育和障碍。
类器官对于理解大脑是否响应感官输入而发育特别有用——因为它们存在于实验室环境中而非体内——并且可以伦理地大量培养。在这项研究中，研究人员促使干细胞形成脑组织，然后使用类似于计算机运行的专用微芯片测量其电活动。夏尔夫在应用物理学、计算和神经生物学方面的背景形成了他在建模早期大脑电路方面的专长。
"一个本质上与任何感官输入或器官通信脱钩的类器官系统，为你提供了一个了解这种自组装过程的窗口，"夏尔夫说。"这种自组装过程在传统的2D细胞培养中很难实现——你无法获得细胞多样性和结构。细胞需要彼此紧密接触。我们试图控制初始条件，以便让生物学发挥其奇妙的作用。"
夏尔夫实验室正在开发新型神经接口，利用物理学、材料科学和电气工程方面的专业知识。右图是夏尔夫实验室的电气与计算机工程博士生库什克·德瓦拉扬（Koushik Devarajan）。
模式生成
研究人员观察了脑组织的电活动，这些组织从干细胞自组装成能够转换感官并产生语言和意识思维的组织。他们发现，在发育的最初几个月内，远在人类大脑能够接收和处理视觉和听觉等复杂的外部感官信息之前，其细胞就开始自发地发出具有转换感官特征的电信号。
通过数十年的神经科学研究，科学界发现神经元的放电模式并非随机。相反，大脑具有"默认模式"——一个用于神经元放电的基本底层结构，当大脑处理像气味或味道这样的独特信号时，它会变得更加具体。这种背景模式勾勒出身体和大脑可以产生的感官反应的可能范围。
在对自组装类器官模型中单个神经元尖峰的观察中，夏尔夫及其同事发现，这些最早可观察到的模式与大脑的默认模式有惊人的相似之处。即使没有接收任何感官输入，它们也在发射基于时间的复杂模式或序列，这些模式有可能为特定感官进行优化，暗示了活体大脑神经架构中固有的基因编码蓝图。
"这些本质上自组织的系统可以作为构建我们周围世界表征的基础，"夏尔夫说。"我们能够在这些早期阶段看到它们的事实表明，进化已经找到了一种方法，使中枢神经系统能够构建一个允许我们与世界互动和导航的地图。"
知道这些类器官产生活体大脑的基本结构，为更好地理解人类神经发育、疾病以及大脑中毒素的影响开辟了一系列可能性。
"我们正在展示捕获复杂动态的基础，这些动态可能是我们可以在人体组织中研究的病理发作的标志，"夏尔夫说。"这将使我们能够与临床医生合作，在临床前水平开发潜在的化合物、药物疗法和基因编辑工具，这些工具可能更便宜、更高效、更高通量。"
这项研究包括来自加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校、圣路易斯华盛顿大学、约翰霍普金斯大学、汉堡-埃彭多夫大学医学中心和苏黎世联邦理工学院的研究人员。
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