科学家把大脑切片接上机械手，它自己学会了弹琴

一片来自死者的大脑切片，被放进培养皿里面，然后连接上一只机械手，三天之后这只机械手竟然学会了一首曲子。

这是来自法国国家科学研究中心（CNRS）等机构的研究人员最近公布的实验成果，他们从去世的捐赠者大脑中取出了一小块皮层，将其切成 300 微米厚的薄片，然后放在微电极阵列上养着，这片脑片依然保持活着的状态，神经元竟然还在放电。

研究人员把这套系统叫做 OPAB，它的全称是死后成人脑片外植体培养。研究人员选了三个电极作为运动电极，把它们连到一只机械手的三根手指上。电极一旦开始放电，所对应的机械手指就会按下去，进而弹响钢琴上的一个音符。旁边的话筒在拾取声音之后，会转换成为一个电信号，接着传回脑片上的另外三个感觉电极。

这套回路模拟了人类婴儿学习的过程，婴儿出生的时候会随机地活动四肢，借此观察动作带来的声音、触觉等反馈，婴儿大脑随之慢慢建立起动作和感觉之间的连接。研究人员让这个脑片也经历了类似婴儿的练习，第一天先进行了一轮预刺激，后续三天里三个运动电极轮流放电，每一次放电都让机械手按下一个键，接着脑片收到相应的声音信号。

三天训练结束之后，研究人员换了一个真人来弹琴，结果发现脑片在听到声音之后，能够激活对应的运动电极，进而驱动机械手弹出来同一个音符。在16 片的脑片中，有 3 片达到了 100% 的正确率，另外 7 片脑片能够正确地模仿两个音符。62.5% 的脑片至少学会了两个音符，而且这种记忆至少能够保持 7 天，有的甚至能保持 17 天。

（来源：资料图）

研究人员还做了几个对照实验，他们把另外一些未经训练的电极连接到机械手上，结果发现机械手完全无法模仿，这说明弹琴的能力确实来自于这几天的学习。而当给脑片加入抑制神经突触传递的药物后，模仿能力就会消失。使用病毒感染的脑片同样无法保持上述学习效果，这反过来证实了学习成果确实依赖于神经活动的正常进行。

这片脑片背后的学习机制，和真人大脑的学习方式在原理上是相似的，它都遵循一种叫作“脉冲时序依赖可塑性”的规则，当一个神经元反复地在另一个神经元放电后的短时间内被激活，它们之间的连接就会被增强。

在实验中，运动电极和感觉电极之间形成了一种双向连接，这时刺激感觉电极能够激活运动电极，反过来也是一样的。这种双向连接正是实现模仿的关键，也就是听到声音能够激活对应的动作，而这也正是人类镜像神经元系统的核心特征。

但是，脑片的学习能力并非无限。研究人员在实验中只用了三个音符，样本量也只有 30 片脑片，分别来自三位捐赠者。62.5% 的成功率在实验室条件下只能说算是一个成功信号，距离稳定可靠的应用还有很长的路。研究人员自己也坦言，这个结果其实有点偏保守，因为电极是随机选的，而有些脑片天生就不太适合做这个任务，假如能够根据神经活跃度来挑选电极，成功率也许会更高。

这篇论文目前还只是预印本成果，还没有经过同行评审。但是，研究人员此前在 2024 年在 Brain Stimulation 期刊发表过相关论文，证明这种脑片切片能够表现出来突触可塑性，也就是神经元之间能够根据活动改变连接强度。如果说那次研究成果证明了“能学”，这次等于他们试着把它接上了一个真实的外设，完成了一种介于感觉和运动之间的闭环。

这次实验里用到的设备并不复杂，一个微电极阵列、一只机械手、一个麦克风和一台电子琴，再加上一个培养箱。最有价值的是这片脑片本身，它保留了真人大脑皮层的基本结构，比二维培养的神经元以及类脑器官更加接近真实大脑的状态。

无论是神经元之间的连接、还是不同类型细胞的共存，亦或是产生可塑性所需的基础条件，都在这个薄片上依然保留着，也就是说它依然活着，只不过脱离了原来的人类身体。

图 | 相关论文（来源：资料图）

对于脑科学领域来说，这套系统提供了一个可以操控的观察窗口，让研究人员可以在受控条件下观察人类神经组织如何学习和适应。尽管类脑器官也能在一定程度上模拟脑片的功能，但是在细胞成熟度和结构完整性上还有一定差距。假如能够稳定地培养更长时间、扩展到更多电极以及学会更复杂的序列，这套系统就有可能成为研究神经疾病、研究药物测试甚至认知过程的工具。

但是，这类实验也会带来一些伦理层面的思考，从去世志愿者的脑片中获取的样本，在培养皿中学会了一种新行为，并能够通过机械手表现出来。这片脑片本身不具备意识，也没有自我认知，不过它确实展示了一种原始的学习能力。

研究人员在论文材料中说明了样本来源和伦理审批流程，具体来说样本来自接受尸检的捐赠者，也获得了家属的非反对意见。眼下，这套系统只能识别三个音符，相关论文还在等同行评议，还需要过审稿人那关。

参考资料：

https://www.researchsquare.com/article/rs-9638576/v1

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成