科学家首次3D打印出功能性人类脑组织 仅需几周就能发育成真

引言

大脑是个重约1500克的宇宙，动作电位激活万亿个神经元的场景，恰似星云在太空中闪烁。

而人类对无限宇宙的探索，也似人类对大脑的研究，永不停歇。探索大脑的功能和病理学对于理解神经和精神疾病的发病机制至关重要。

然而，传统的研究方法，如动物模型和类器官，存在局限性，无法精确模拟人类大脑的复杂性和功能性连接。因此，创造一种能够模拟人类大脑结构和功能的、能够供人类进行精细研究的体外模型显得尤为重要。

今年2月份，威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队通过3D打印技术，首次成功打印出了具有功能性连接的人类神经组织。

该研究发布于《Cell Stem Cell》上。

01

复杂如宇宙的大脑

大脑是人体中最复杂、最神秘的器官，且不论其他，单说组成大脑的部分：神经元和神经胶质细胞们就能达到数百亿个。

它不仅负责处理和协调人体的各种复杂功能，还涉及到感觉、运动、认知、情感、语言、记忆等高级功能。

作为唯一一个能够产生意识和思维的器官，大脑涉及到对信息的处理、记忆、决策和创造性思维等。情感的产生和调节，包括爱、恐惧、喜悦等情感的感知和响应，以及存储和检索庞大信息的能力，包括事实性记忆、过程性记忆以及感性记忆，都是大脑的重要功能。

此外，大脑通过运动皮层和小脑协调肌肉的运动，使我们能够进行精细和协调的动作，同时调节着身体的许多重要功能，如心跳、呼吸和体温等。

大脑的高度可塑性使其能够根据经验和环境的变化进行自我调整和学习，这种可塑性使得大脑能够适应新的环境，学习新的技能，甚至在受伤后重新组织以实现康复。从出生开始，大脑在不断生成全新的神经细胞，即使在老年时期，大脑仍然保持一定的神经发生能力，这种能力对于维持大脑功能和适应环境变化具有重要意义。

在结构与解剖方面，大脑由左右双侧半球组成，每个半球又进一步细分为多个叶和区域，如额叶、顶叶、颞叶和枕叶等，这些区域各有分工但又相互关联，共同支持大脑的各种功能。大脑的脑血管总长达16公里，为大脑提供了充足的血液供应和氧气，这种复杂的血管系统确保了大脑能够高效地进行代谢和功能活动。

大脑处理信息的速度极快，能够在短时间内对大量信息进行处理和整合，例如，大脑在13毫秒内可以完成对图像的解码，这远远超出了最初预期的100毫秒。

尽管大脑占人体质量的仅约2%，但它却消耗了身体总能量的约20%，这是因为大脑需要大量的能量来维持神经元之间的活动和信号传递。

以上的特性共同构成了大脑的复杂性，使其成为人体中最复杂、最神秘的器官之一。

总之，由于大脑的高度复杂性和神经细胞的不可再生性，传统的研究方法往往难以准确模拟大脑的真实环境和功能。因此，科学家们一直在寻找能够模拟大脑功能和结构的替代模型。

3D打印技术作为一种新兴的制造技术，具有高精度、可定制化和快速成型等优点，在生物医学领域展现出了巨大的潜力。近年来，科学家们利用3D打印技术成功打印出了多种生物组织，如骨骼、血管和皮肤等。

但打印大脑，仍是一个大难题。

02

全球首次成功打印

此次威斯康星大学麦迪逊分校的研究团队成功打印出功能性人类脑组织，便填补了这一领域的空白，还为研究大脑提供了更加接近真实环境的模型。

威斯康星大学麦迪逊分校魏斯曼中心的神经科学和神经学教授张素春，作为本项研究的通讯作者，强调道：

“这一3D打印的脑组织模型潜力巨大，有望成为我们深入理解人类脑细胞间以及大脑各部分间交流机制的得力助手。它有望颠覆我们对干细胞生物学、神经科学领域，乃至众多神经及精神疾病发病机理的传统认知。”

具体来说，为了实现3D打印功能性人类脑组织的目标，研究团队采用了创新的水平叠层3D打印方法和技术，这一方法显著区别于传统的垂直叠层打印方式。

当我们进入实际打印过程时，刚刚所提的水平叠层打印方法能够更精细地控制打印层的平面布局，使得层与层之间水平相邻而非垂直堆叠。

这种布局方式不仅有助于维持打印过程中细胞的活性，还促进了神经元之间的精细连接和网络结构的形成。

相比之下，传统的垂直叠层打印方式可能在构建高度方向上的结构时更具优势，但在处理需要精细平面结构和细胞间相互作用的生物组织时则显得力不从心。

因此，在打印复杂大脑组织时，水平叠层更好。

另外，在打印材料的准备上，他们先精心选择了诱导多能干细胞（iPSCs）作为打印的基础材料，iPSCs具备分化为多种神经元和神经胶质细胞的潜力，首先为打印复杂脑组织提供了基础。

同时，研究团队创新地将脑细胞与纤维蛋白水凝胶混合，形成了一种特殊的“生物墨水”。纤维蛋白水凝胶因其良好的生物相容性和打印性能，为细胞提供了一个既稳定又柔软的生长环境。这种“生物墨水”不仅支持细胞的存活和分化，还能促进神经元之间的连接和网络的形成。

为了防止打印条带的混合并保持组织的结构稳定性，他们在每打印一层后立即使用凝血酶作为交联剂进行固化。逐层打印和即时固化的双重保险，确保了打印出的脑组织具有清晰的层次结构和稳定的形态。

通过水平叠层打印，研究团队成功地将脑细胞嵌入柔软的“生物墨水”凝胶中，并逐层铺设形成具有复杂网络结构的脑组织。

经过数周的精心培育，打印出来的脑组织逐渐发育成熟。神经元和神经胶质细胞在凝胶中形成了复杂的网络结构，这些细胞通过神经递质进行通信、发送信号和相互作用。

更令人惊奇的是，即使打印了属于大脑不同部位（如大脑皮层和纹状体）的不同细胞，它们仍然能够以一种非常特殊和特定的方式相互“对话”，这表明打印出来的脑组织具有高度的功能性和特异性。

03

功能已被证实

研究团队采用了一系列专业技术手段，以全面评估3D打印神经元的性能与特性。

首先，通过电生理学方法，特别是全细胞膜片钳技术，他们检测了打印神经元的电生理活性。观察到神经元能够自发产生动作电位并接收突触后电流，这一发现直接证实了打印神经元具备正常的电生理功能，并且神经元间存在有效的连接与通信。

接着，为了深入探究神经元间的相互作用与信号传导机制，团队采用了钙成像技术。他们利用钙离子敏感的荧光染料标记神经元，并监测在电或化学刺激下神经元内钙离子的动态变化。实验结果显示，刺激后钙离子浓度迅速上升，这进一步证明了神经元间信号传导的活跃性，并揭示了打印组织内部神经元网络的复杂动态。

此外，团队还利用免疫荧光染色与共聚焦显微镜技术，对打印组织的细胞类型与结构进行了详细分析。他们发现，打印的脑组织中不仅包含多种类型的神经元，还包含神经胶质细胞，这些细胞在组织中均匀分布，形成了错综复杂的网络结构。同时，免疫荧光染色结果也验证了这些细胞均表达了特定的标记物，进一步证实了打印组织的多样性与复杂性。

为了验证打印组织的功能特异性，团队还设计了一系列功能测试。通过给予特定的神经递质或药物刺激，他们观察到神经元产生了预期的反应模式。这一结果不仅表明打印的脑组织在结构上复杂，而且在功能上也保留了高度的特异性。

最后，为了评估打印组织的长期稳定性与功能性，团队对打印组织进行了长期培养，并定期监测其功能变化。研究结果显示，即使在长时间培养后，打印的脑组织仍能保持稳定的结构与功能活性。

End

写在文末

就像上文所说，人类对大脑的研究，永不停歇，这个首次也不会是终点。

这更像是个起点，代表我们迈出了从粗放迈向精细的一步。