1毫米的缸中之脑，离产生意识还有多远？

实验室里的 “微脑”：

脑类器官的研究现状与核心价值

肉眼看上去，安妮・卡图里亚（Annie Kathuria）的实验样本，就像是漂浮在粉色培养皿中的一小团棉絮。这些不起眼的球状结构，是由数百万个人类脑细胞聚集而成的脑类器官——确切地说是脑干类器官，它们诞生于美国东部巴尔的摩的一间实验室。在历经约一个月的培育后，这些细胞团直径仅1毫米左右，比一粒粗盐还要小。

约翰・霍普金斯大学生物医学工程与神经外科助理教授卡图里亚表示：“我们目前培育的类器官数量大约在500到600个。”除脑干类器官外，她的团队还在培育对应神经系统不同区域的其他类器官：旨在模拟大脑皮层发育过程的皮层类器官，以及用于构建与大脑相连的脊髓神经组织模型的脊髓类器官。

每一团神经组织的功能，都与人类大脑的特定区域高度相似。也正因这种相似性，不少媒体将其称作“迷你大脑”、“培养皿里的大脑”。如今这类称呼让该领域许多研究者感到不适，出于严谨，部分学者更倾向使用“神经类器官”，而非 “脑类器官”。

▷安妮·卡图里亚，约翰·霍普金斯大学生物医学工程与神经外科领域助理教授，她在该校位于巴尔的摩的实验室工作。来源: Nora Belblidia for Undark

斯坦福大学法律与生物科学专家汉克・格里利（Hank Greely）长期与该领域研究者合作，他表示：“不管这些结构是什么，它们绝对不是大脑。它们的组织结构和大脑不一样，体积也远远不够。更关键的是，它们不具备大脑应有的完整结构。”他打比方说，类器官只是整体中的某个基础部分，就像我们不可能把一间杂物柜、一段楼梯当成一座摩天大楼一样。

但在某些方面，类器官又确实表现出类似大脑的特征：它们包含神经元等脑细胞，能够自我组装、发放电信号，并模拟出部分大脑活动。有研究发现，这些类器官甚至可以感知时间；如果培育超过9个月，还会呈现出一些人类出生后脑细胞才有的典型特征。在科研中，源自人类细胞的类器官，比小鼠大脑等动物模型更贴近真实的人类大脑。卡图里亚说：“它和真正的人脑不完全一样，但已经足够接近，我们可以用它来开展研究。”

没有哪个器官像人类大脑这样难以直接研究。

这也意味着，类器官，能帮助科学家弄清大脑的发育与工作机制——这一课题在过去一直难以突破。斯坦福大学神经科学家塞尔吉乌・帕斯卡（Sergiu Pasca）指出：“没有哪个器官像人类大脑这样难以直接研究。想要在这一领域取得进展，我们就必须获得可研究的人类脑细胞。”

了解健康大脑的运作机制，同样能帮我们理解它为何会出现异常。科学家希望，通过对患有神经发育障碍患者的细胞培育出的类器官进行研究（尤其是那些很难在动物模型上复现的疾病，比如精神分裂症）进而研发出有效的治疗手段。

政策制定者与科研资助机构也在持续关注这一领域。2025年4月，美国食品药品监督管理局宣布，将推动类器官用于药物安全性检测，以此替代传统的动物实验。同年9月，美国国立卫生研究院投入8700万美元，专门建立研究中心，用于规范相关实验方法、提升研究的可重复性。

类器官在科研中的应用早已不局限于药物研发：它被用来模拟毒素、病毒等外界因素对人体发育与健康的影响；被移植到大鼠体内，开展神经组织修复相关实验；“甚至还经过训练”，实现了类似玩吃豆人游戏的简单行为。

这项技术前景广阔，再加上“在培养皿里培育脑组织”自带的神秘感，让该领域受到了越来越多的关注。近期不少媒体报道都聚焦于它的最新进展、面临的挑战与伦理问题。多数研究者对这类关注表示欢迎，但也有人担心，相关成果会被误读，进而引发公众的抵触情绪。

人们脑海中浮现的画面，往往透着一股弗兰肯斯坦式的惊悚。他们总会联想到缸中之脑。我认为，有必要引导公众认识到，这项技术并非什么科学怪人的产物。

人们脑海中浮现的画面，往往透着一股弗兰肯斯坦式的惊悚。他们总会联想到缸中之脑。约翰・霍普金斯大学生物伦理学家洛马克斯・博伊德（Lomax Boyd）正与类器官研究团队合作，他认为：有必要向公众说明，这项技术并非什么科学怪人的产物。“这并不是一个在巨大培养皿里长成的完整大脑，它只是结构更简单、更基础的研究模型。”

但伦理学家与研究者们都认同，这一领域需要被审慎对待，甚至可能需要建立专门的监管体系，用来跟踪研究进展、提前应对潜在的伦理问题。例如：细胞捐赠者是否需要知晓，自己的DNA可能会被植入小鼠体内？如果这些实验小鼠开始表现出类似人类的特征，该如何界定？如果类器官自身产生了自我意识，或是能够感知疼痛，又该如何处理？

斯坦福大学的格里利教授认为，这类极端情景目前还十分遥远，有些甚至永远不会发生。但他依然感到一丝欣慰：研究者们早已开始极其严肃地对待这些问题。他表示：“研究者们对此保持谨慎，或许是出于伦理层面的顾虑，也可能是担心出现负面舆论、影响科研经费，又或者两者兼有。”

技术的进阶之路：

脑类器官的发展脉络与前沿探索

类器官研究的起源可追溯至2008年，当时科学家笹井芳树（Yoshiki Sasai ）首次发表研究，探索如何引导胚胎干细胞培育成皮层组织。不过他当时并未使用“类器官”这一术语——该术语后来才逐渐普及，推动者是当时任职于维也纳奥地利科学院的发育生物学家玛德琳・兰卡斯特（Madeline Lancaster）。她培育的细胞团能够自我组装，形成类似大脑皮层、海马体及其他脑区的结构，相关研究获得媒体报道后，“类器官”一词开始被广泛使用。

这一新兴领域的发展，得益于20年前的一项突破性成果：将成熟细胞重编程为未成熟干细胞的技术，这类干细胞可分化为任何一种特化细胞。日本科学家山中伸弥（Shinya Yamanaka）正因这项技术荣获2012年诺贝尔生理学或医学奖。

在这项成果出现之前，研究人员只能从胚胎中获取人类未成熟干细胞，这一做法引发了巨大争议，也受到严格监管。但山中伸弥取得突破后，科学家们可以从成年人身上提取细胞（比如皮肤细胞），将其逆转回干细胞状态，再诱导这些干细胞分化为肾细胞、肺细胞或脑细胞等。“这是一个关键转折点，因为它本质上实现了细胞的民主化，”帕斯卡表示，“任何人都能获取这些细胞，无需背负重大伦理顾虑，每个实验室都能培育出这类干细胞。”

▷在荧光显微镜下观察的脑类器官横截面图，其中不同的颜色代表了该类器官结构的不同部分。在红色的玫瑰花状结构中，新的神经元正在形成。来源：Institut Pasteur-SupBiotech/NASA

这一突破推动探索相关问题的实验室数量呈指数级增长。加州大学圣地亚哥分校儿科与细胞分子医学系教授艾利森・穆特里（Alysson Muotri）表示，十年前，从事脑类器官研究的实验室“屈指可数”，“而现在，我已经数不清了。”

多年来，各实验室的研究重点主要集中在尝试不同的类器官培育方案上。科学家目前还无法从零培育出能代表完整大脑的类器官——毕竟大脑的结构实在太过复杂。因此，他们会培育对应大脑不同区域的类器官，比如皮层类器官或中脑类器官。

类器官的培育方法有很多种，但首要步骤之一是，研究人员需先让初始干细胞大致形成一个小球体。随后，他们会将这个球体植入一种物质中，卡图里亚将这种物质比作“粘性胶水”，它能支撑类器官的结构，助力其生长。

研究人员可以不对球体进行引导，让其自主生长——兰卡斯特团队在2013年的研究中率先采用了这种方案；也可以在特定时间点，向细胞团投喂特定分子和营养物质的混合物，诱导其发育成目标类型的类器官，这个过程通常需要数周至数月。卡图里亚说：“我们要做的，就是添加一系列分子，然后静待生物学过程自然发生。”

不同研究者可能会使用不同的培育方案，这就像两位面包师，即便调整配料和烘焙时间，也都能做出胡萝卜蛋糕一样。尽管目前研究者们已大致掌握了针对不同脑区、相对可靠的培育方案，但预期结果并非总能实现。比如卡图里亚曾试图培育一种能促进与其他组织沟通的神经细胞团，最终却意外培育出了脑干类器官。

▷卡图里亚（最左边）以及她实验室的几位成员于11月的照片，从左至右依次为：艾莎·潘塔乌拉（Aisha Pantual）、卢克·丹尼尔·卢戈德·奥夫里亚（Luke Daniel Lugod Ofria）以及考斯图布·乔希（Kaustubh Joshi）。来源：Nora Belblidia

▷卡图里亚实验室的景象，在这里研究人员培育出了与不同神经系统类型相对应的“器官组织”：脑干、大脑皮层和脊髓。来源：Nora Belblidia

▷卡图里亚实验室中的一块微电极阵列板被用于记录脑类器官中的电活动，不过图中并未展示任何脑类器官。来源：Nora Belblidia

2025年7月，卡图里亚发表了一项研究成果*，阐述了她如何将脑干类器官与其他类型的类器官连接起来，构建出她和合作者们称之为“多区域脑类器官”的结构。据卡图里亚介绍，这种类器官大小与一颗小蓝莓相当，是一个初步的胎儿大脑模型。

这类融合而成的结构也被称为“组装类器官”。研究者表示，它们对于理解大脑不同区域如何沟通至关重要，而这也能帮助我们从细胞层面揭示脑部疾病的发病机制。“许多脑区的功能，只有在与其他脑区连接后才能真正显现，” 帕斯卡说道。他的实验室是首个发表组装类器官相关研究的团队**，“组装类器官”这一术语也由他提出，“单独的大脑皮层几乎发挥不了什么作用。”

帕斯卡曾利用组装类器官，帮助揭示了蒂莫西综合征（一种罕见疾病，会表现出类似自闭症的症状）可能的发病根源。不过，尽管脑类器官研究已为我们提供了宝贵的见解，帮助我们了解蒂莫西综合征等发育障碍、寨卡病毒等如何影响大脑，但Undark杂志采访的研究者们表示，到目前为止，尚未有任何基于类器官研究的疗法获得美国食品药品监督管理局（FDA）的批准。

*Kshirsagar, Anannya, et al. "Multi‐Region Brain Organoids Integrating Cerebral, Mid‐Hindbrain, and Endothelial Systems." Advanced Science 12.33 (2025): e03768.

**Birey, Fikri, et al. "Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids." Nature 545.7652 (2017): 54-59.

“过去近20年里，我们一直以为，疗法很快就会问世，这些模型也足够用来实现这一目标，” 同时拥有医师资质的帕斯卡说道，“当然，我们忽略了一点：人类大脑极其复杂，比任何其他器官都要复杂。”想要构建出接近这种复杂性的模型，所花费的时间远比预期的要长。

一些科学家和私人初创公司希望利用这种复杂性，借助类器官以及更基础的神经细胞来处理信息。他们的设想是，与目前用于计算和人工智能的硅基处理器相比，生物材料可能更快、更节能，也更具资源可持续性。

“如果我们能弄清楚活神经网络高效计算的原理，就能在寻找和开发更优人工计算架构方面取得重大突破，” 加州大学圣克鲁兹分校生物分子工程助理教授塔尔・沙夫（Tal Sharf）表示。他近期发表了一项研究*，探索发育中的大脑如何预先形成处理信息的神经连接，“如果我们能降低能耗，将会对世界产生巨大影响。”

2022年，初创公司Cortical Labs的首席科学官兼首席运营官布雷特・卡根（Brett Kagan），联合撰写了一项广受关注的研究**——他们训练神经细胞玩电子游戏《乓》（Pong）。不过该研究并未使用类器官，而是采用了二维神经细胞；而总部位于瑞士的初创公司 FinalSpark，已将类器官与电极相连，搭建了一个可供科学家进行远程实验的平台。研究者们利用这个平台，成功训练类器官识别盲文字符。

尽管如此，沙夫仍提醒人们避免过度炒作。“媒体上对此有很多讨论，但目前还没有太多严谨的方法来真正界定这些生物材料的能力边界。” 去年，沙夫获得了美国国家科学基金会190万美元的资助，用于设计测试来评估这些生物材料的计算能力。

2023年，约翰・霍普金斯大学环境健康与工程系助理教授莱娜・斯米尔诺娃（Lena Smirnova），与博伊德、卡根、穆特里等专家联合发表了一篇文章*，首次提出 “类器官智能” 这一术语，用来指代新兴的生物计算领域——该领域指利用包括类器官在内的任何生物材料处理信息，并开发“脑机接口技术”。

*Van Der Molen, Tjitse, et al. "Preconfigured neuronal firing sequences in human brain organoids." Nature neuroscience 29.1 (2026): 123-135.

**Kagan, Brett J., et al. "In vitro neurons learn and exhibit sentience when embodied in a simulated game-world." Neuron 110.23 (2022): 3952-3969.

***https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1017235/full

斯米尔诺娃的主要研究方向，是利用类器官探索毒物暴露和环境压力对大脑发育的影响，她表示，自己对这项技术可能开启的新领域感到兴奋。“看到一切发展得如此之快，真的很令人惊叹，”她说。她补充道，科学家们现在不仅拥有了合适的工具，“也具备了足够的研究动力”。

最近，斯米尔诺娃一直在尝试训练类器官——类似于研究人员训练机器学习模型的方式——以此研究类器官的学习和记忆能力，其最终目标是利用类器官减少毒理学研究中的动物实验。

▷约翰·霍普金斯大学环境健康与工程学助理教授莱娜·斯米尔诺娃主要利用组织培养物来研究有毒物质暴露和环境压力如何影响大脑发育。她还参与了有关新兴生物计算领域的研究。来源：Nora Belblidia

▷在斯米尔诺娃实验室里，通过显微镜观察到的一组脑类器官样本。来源：Nora Belblidia

▷又一份脑组织器官模型样本。最近，斯米尔诺娃一直在致力于培养这些器官模型，以研究它们学习和记忆的能力。来源：Nora Belblidia

前行的羁绊：

脑类器官研究的伦理考量与未来思考

斯米尔诺娃同时为神经技术公司 28bio（前身为 AxoSim）提供咨询服务，其丈夫托马斯・哈东（Thomas Hartung）也参与该公司事务，并向其授权了一项技术。她在邮件中指出，应当将简单的信息处理与 “生物计算机的概念区分开来——我们目前还远远达不到构建生物计算机的水平。” 她进一步表示：“明确这种区分，有助于避免过度炒作，并让伦理讨论立足于现实。”

尽管如此，将人类细胞用于计算机的想法，仍可能让人产生不安感。

Cortical Labs的卡根将这种潜在的不适感比作计算机行业发展初期的状况：“最初，人们对计算机这类事物也存在抵触情绪。我认为我们现在正处于这样的阶段。人们会觉得‘哦，这不一样，有点奇怪’，” 他说，“但重要的是：奇怪并不等同于不道德。”

伦理问题长期以来一直围绕着类器官研究。例如：如果类器官产生了感知能力，会发生什么？或者用格里利的话来说：“它会不开心吗？会感到疼痛吗？会思考吗？它会不会像《变形记》里的格里高尔・萨姆沙（ Gregor Samsa），被困在蟑螂的身体里，心里想着‘放我出去’？”

人们会觉得‘哦，这不一样，有点奇怪’。但重要的是：奇怪并不等同于不道德。

包括格里利在内的许多专家都认为，这样的时刻尚未到来。加州大学圣地亚哥分校的研究者穆特里，是少数认为类器官可能已经以 “它们自身的方式” 拥有意识的人 —— 尽管这种意识与人类意识不同。

关键问题在于，人们首先就对“什么构成意识”没有达成共识。“一方面，我们很难检测它们是否存在意识，因为它们显然无法表达，” 意大利佩加索大学道德哲学教授安德列亚・拉瓦扎（Andrea Lavazza）表示，“另一方面，我们对意识本身也没有一个清晰的定义。”

博伊德说，科学家们都清楚，意识是一条道德红线。“问题在于，我们如何知道自己何时已经接近这条红线？”

专家们指出，脑类器官的基础结构决定了那条“道德红线”可能还很遥远。首先，与人类大脑相比，它们的神经元数量相对较少。“这相当于数百万个神经元与数十亿个神经元的差距，而且类器官只是一个高度微型化的版本，” 卡图里亚说道。

虽然有些类器官可以长得更大，但另一些类器官的直径最多只能达到几毫米，之后就会因为缺乏血液供应而从内部开始坏死——到目前为止，研究人员发现在不将类器官移植到动物体内的情况下，很难在实验室中重现血液流动这一特征。

卡图里亚补充道，类器官还缺少与其他身体部位的连接：“我们没有颅骨，没有脑膜，也没有淋巴系统。”

尽管如此，随着类器官变得越来越复杂，这些伦理问题可能会变得更加紧迫。拉瓦扎表示，在开展这场伦理辩论时，该领域必须考虑到科学本身，以及研究的快速发展速度。

格里利表示，他目前还不担心。“但如果你构建出一个组装类器官，里面包含 20 个经过精心培育和筛选、相互连接的类器官，它的大小可能会和小鼠的大脑差不多。我们知道小鼠会有各种行为，也非常确定小鼠会感到疼痛，” 格里利说，“现在我们允许开展可能给小鼠带来疼痛的研究，但会对其进行监管。而类器官面临的一个更技术性的问题是，目前还没有人对它们进行监管。”

包括类器官在内的干细胞衍生研究在美国是受监管的，动物研究也是如此——当源自人类的类器官被移植到啮齿动物和其他生物体内时，动物研究的相关监管就会生效。但这些监管的主要重点并不涵盖类器官研究引发的独特且具体的问题。

去年11月，格里利和帕斯卡在加州联合组织了一场会议，部分目的就是讨论这样一个监管机构可能是什么样子、由谁主导以及由谁出资。到目前为止，他们还没有提出具体的推进方案：“我认为，大多数讨论似乎都认同，有必要成立一个机构来关注这个领域，” 格里利说，“不过，对于这个机构应该是什么样子、‘关注’具体意味着什么，目前还没有形成明显的共识。” 他补充道，希望在他们梳理完会议讨论内容后，能找到前进的方向。

▷左：汉克·格里利是斯坦福大学的一位教授，也是法律和生物科学领域的专家。他与组织器官研究者密切合作，并对相关研究中的伦理问题进行了考量。右：斯坦福大学的神经科学家塞尔吉乌·帕斯卡创造了“组装体”这一术语，用于描述由不同类型的组织球连接而成的结构。来源：Courtesy of Sergiu Pasca

除了这类问题，研究者们还讨论了该领域如何处理知情同意问题——专家们表示，与对未来类器官可能产生感知能力的猜测相比，这是一个更为紧迫的现实问题。

如今，有些实验室可能会直接收集捐赠者的细胞——这种情况下，他们会向捐赠者说明细胞将用于特定研究——但许多研究者使用的干细胞系，来自那些提供了“广泛同意”的捐赠者，这意味着这些捐赠者可能并不知道自己的遗传物质会被用于类器官研究。“在一些极具争议的领域，仅仅一份笼统的同意书是不够的，” 格里利说。

知情同意并非类器官研究独有的问题，但考虑到人们对这项技术的不适感，它可能承载着额外的重要性。例如，参与者可能没有意识到，自己的DNA可能会被用来培育类器官，而这些类器官随后会被移植到大鼠体内。

“目前并没有大量人站出来说‘你们在滥用我的细胞，我从未同意过这件事’，” 格里利补充道，“但我担心，总有一天会出现这种情况。”

生物伦理学家洛马克斯・博伊德说，科学家们都清楚，意识是一条道德红线。问题在于，我们如何知道自己何时已经接近这条红线？

一些研究发现，公众总体上支持将类器官用于疾病研究和疗法开发，但对于类器官未来可能产生意识是否值得担忧，人们的观点则褒贬不一。根据2023年的一项调查*，公众更担心的是这类研究的商业化问题。而在2024年一篇总结全国性调查结果的论文中**，社会学家约翰・埃文斯（John Evans）强调，公众担心类器官可能“保留捐赠者的人类本质”——他在论文中写道，这种观点“在科学家看来会非常奇怪”。

*Ravn, Tine, et al. "Public perceptions and expectations: disentangling the hope and hype of organoid research." Stem Cell Reports 18.4 (2023): 841-852.

**Evans, John H. "Translational Bioethical Decision‐Making: Human Brain Organoids as a Case Study." Ethics & Human Research 46.4 (2024): 47-51.

格里利表示，认真对待这类担忧至关重要。“即使这种担忧并不符合现实，但如果人们认为它是真实的、在乎这件事，那么在某种意义上，它就是真实存在的问题，” 他说。

随着该领域不断成熟，专家们也意识到公众舆论可能对其发展命运产生的影响。格里利说，如果有人公开表示，自己当初并不知道细胞会被用于培育类器官，且认为这类研究令人不适，“从伦理层面来说这是糟糕的，从政治层面来说对科学也不利。而这两种情况都应该避免。”

▷格里利回忆道，多利羊（世界上第一只通过克隆技术培育出的哺乳动物）在 20 世纪 90 年代引发了对克隆研究的强烈反对。许多科学家希望组织器官研究能够避免同样的命运。

他补充说，科学家们应尽最大努力让公众了解最新研究进展，避免出现“令人不安的意外”。格里利还记得上世纪90年代著名克隆羊多莉引发的反对浪潮。“当多莉诞生的消息公布后，我们几乎一夜之间就从‘一只小羊羔’联想到了‘克隆战士奴隶大军’，” 他说，“在人类胚胎被克隆之前，世界各国和各州就开始纷纷通过法律禁止人类克隆。而直到现在，也没有任何克隆人类婴儿出现。”

许多科学家希望类器官研究能避免重蹈覆辙。荷兰乌得勒支大学医学中心神经科学家、神经伦理学助理教授凯瑟琳・巴西勒（Katherine Bassil）表示，自从最初媒体将类器官称为“迷你大脑”以来，研究者们在描述自己的实验时变得越来越谨慎，“因为我们知道，所用的语言可能会产生伦理甚至社会层面的影响，甚至在某种程度上，有人可能会认为它还会影响政策制定。”

巴西勒补充说，有效的科学传播是一种平衡的艺术，过度简化术语可能会适得其反。

和格里利一样，巴西勒表示，她很高兴看到该领域认真对待伦理问题：“我们需要开展这些对话，也需要实施一定的伦理保障措施。” 同时她也表示，“我们不应忘记开发这些技术的初衷——它们确实为患者群体、为我们更深入了解健康与疾病状态下的大脑，带来了巨大希望。”

这种希望或许即将惠及蒂莫西综合征患者：帕斯卡及其团队已研发出针对该疾病的疗法，目前正在完成安全性研究。他们的目标是今年启动临床试验；如果获得FDA批准，这将是人类首次使用基于脑类器官研发的疗法之一。（例如，穆特里实验室为皮特-霍普金斯综合征研发的基因疗法，最近已在临床试验中为首位患者给药。）

卡图里亚也对该领域的广阔前景感到振奋，尤其是在药物研发和移植方面。“我个人最看好的是神经精神疾病的个性化医疗，” 她说。例如，未来有一天，双相情感障碍患者可以先通过源自自身细胞的类器官，低成本地测试某种药物是否有效，再决定是否亲自使用。卡图里亚最近创办了一家名为Organotics的生物技术初创公司，旨在推动个性化医疗和精神类药物的研发。

▷卡图里亚一直在致力于使器官组织具备血管功能，以更好地模拟人类大脑的发育过程。在此场景中，她通过显微镜观察血管组织器官，这些器官目前还无法支持血液流动。

与此同时，科学家们正致力于培育更大、更复杂的类器官。

在巴尔的摩的实验室里，卡图里亚也在研究类器官的血管化技术，以更好地模拟人类大脑的发育过程。为此，她一直在培育血管类器官。这些血管类器官目前还无法支持血液流动，仍处于初步模型阶段，但卡图里亚已经成功将原始血管网络植入到了组装类器官中。

去年11月，她还在培育更多这样的类器官。有一批刚被植入那种“粘性胶水”中。“它们现在还很小，处于发育初期，”她说。

“它们会慢慢长大的。”

https://undark.org/2026/02/26/brain-organoids-big-questions/

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