混合大脑:将人类神经元移植到动物体内的伦理

在伦敦一个实验室的黑暗房间里，一群学生和研究人员看着一团人类脑细胞进入他们的新家:一个活的老鼠大脑。在显微镜旁边的电脑显示器上，人体细胞在同时活动时发出闪光。随着时间的推移，这些细胞会长出几厘米长的新连接，并彼此形成网络。伦敦帝国理工学院实验室负责人文森佐·德·保拉说，这对他的学生来说是一种迷人的观看效果。“这是他们唯一想做的。我不能把它们撕掉，”他说。

他们有一场不同寻常的演出的前排座位。德保拉的团队是少数几个能够研究人类神经细胞在活体发育中的大脑中工作的实验室之一——由于伦理和技术原因，这一系统在很大程度上是被禁止的。“我们无法在胎儿大脑中研究这些过程，”他说。“相反，我们想观察人类皮层神经元的成熟，并在活体动物中形成活跃的网络。”

德保拉的系统是一种特殊类型的神经嵌合体——这一研究领域在过去五年中得到了极大的发展，引发了关于将人类和动物脑组织混合的伦理争论。支持者表示，这种系统对于操纵活的人类神经元是必要的，并且已经对健康和疾病产生了重要的见解。例如，通过使用神经嵌合体，科学家们发现了唐氏综合症和阿尔茨海默症患者神经元的发育和行为方式的差异。

但也有人警告说，这种嵌合体代表了一个伦理灰色地带，因为它有可能模糊人类和其他动物之间的界限，或在动物身上再现类似人类的感知或认知。一些研究人员表示，只有在没有其他合适的细胞或动物模型时，才应该使用这种嵌合体。“这真的是一个回答科学问题的好模型吗?还是我们只是为了它而突破界限?”伦敦弗朗西斯·克里克研究所的发育生物学家内奥米·莫里斯问道。伦理学家们正在问，在什么情况下，另一种动物大脑中的人类神经元集合体现了某种值得拥有独特道德地位的东西。

尽管使用嵌合体(由不同生物体或物种的细胞组成的实体)的研究已经进行了几十年，但这些神经嵌合体开辟了新的伦理领域。美国国家科学、工程和医学科学院2021年关于神经嵌合体研究的特别报告go.nature.com/3pii9q5)指出了一些问题，如赋予动物新的认知能力的可能性，或人类疾病的症状可能令人痛苦。该委员会建议，尽管目前对干细胞和动物研究的监管是充分的，但该领域应该保持密切的监督。委员会还鼓励使用试点研究和密切监测动物，以确定任何新的或不寻常的行为。

监管机构需要密切关注的事情还有很多。研究人员开始考虑超越移植一些孤立的细胞，创造与人类大脑区域相结合的动物。将人类脑干细胞移植到猴子大脑的研究帮助启动了一项2018年的临床试验，测试人类脑干细胞移植是否可以治疗帕金森病。2019年，日本取消了禁止政府资助使用人兽嵌合胚胎的研究的禁令。在包括美国和英国在内的许多国家，将人类大脑细胞或组织与另一种动物大脑混合的研究是合法的，可以得到政府的资助，并经过额外的审查。美国禁止政府资助人兽嵌合胚胎研究。

观察人士预计，这一领域将快速发展。“我们知道它将迅速发展，”Insoo Hyun说，他是位于马萨诸塞州波士顿的哈佛医学院的研究伦理主任。

研究主要

生物学的历史上充满了嵌合体。纽约市洛克菲勒大学的发育生物学家Ali Brivanlou说，从20世纪初开始，胚胎学家将不同动物物种的胚胎片段剪切并粘贴在一起——例如，将鸡和鹌鹑融合在一起，以研究发育信号的起源。

几十年来，研究人员也一直在将器官、细胞或基因等人类元素引入其他动物体内。通常，基本原理是为了更好地理解生物系统是如何工作的，Brivanlou说，或者找到疾病的治疗方法。癌症研究人员经常将人类肿瘤移植到小鼠体内，自20世纪80年代末以来，科学家已经创造出具有人类免疫系统的小鼠¹．

另一个动机更加功利:找到在动物身上培育人类兼容器官的方法，以缓解器官移植的短缺。在过去的几个月里，研究人员进行了移植转基因猪肾而且猪的心脏变成了人类．

但是，能够长期存活的人类神经元移植只是在过去十年中才被创造出来的。2013年，当时在Université布鲁塞尔自由学院工作的神经科学家皮埃尔·范德哈根(Pierre Vanderhaeghen)和他的同事完善了这一微妙的过程²从干细胞中培养出的人类神经元，在移植到小鼠大脑中时，它们会蓬勃生长，但不会不受控制地生长。

科学家们使用两种类型的人类干细胞来制造嵌合体的神经元:一种是最初来源于胚胎的胚胎干细胞(ES细胞)，另一种是来源于经过重新编程进入胚胎样状态的成年细胞的诱导多能干细胞(iPS细胞)。这两种类型的细胞都有可能变成身体中的任何组织，并可定向生长为神经元。“来自人类多能干细胞的细胞比过去移植的其他细胞更具可塑性，”这可能会导致更好的人类细胞融合，Hyun说。

实验室培养的大脑能有意识吗?

2016年，美国国立卫生研究院提议取消对使用含有人类细胞的动物胚胎研究的资助暂停。公众的评论如潮水般涌向该机构，其中大多表达了反对意见。(资助禁令仍然有效。)但2020年对美国430人的一项调查发现，59%的人支持旨在在猪身上生产人类组织的人猪嵌合胚胎研究^3.．

拥有人类肾脏或肝脏组织的猪是一回事;神经组织可能不太好接受。“人们把大脑与道德地位联系在一起，”Hyun说。尽管研究人员表示，没有一项研究接近于在动物身上产生类似人类的认知能力，但这一联系让他们重新考虑——在什么情况下，动物的大脑会变得太像人类而不适合社会?

混合的脑细胞

在过去的五年里，研究人员开发了几种制造神经嵌合体的方法。它们的复杂程度各不相同，从移植单个人类神经元或一块培养的脑组织，到结合来自两个物种的胚胎，试图从零开始产生嵌合脑组织。

要想了解人类神经元活动的罕见情况，最简单的方法就是每次只移植几个细胞。Vanderhaeghen的团队现在在比利时的佛兰德斯生物技术研究所(VIB) -鲁汶天主教大学(KU Leuven)大脑和疾病研究中心，他们一直在用锥体神经元——人类皮层中最丰富的类型——在一个培养皿中从胚胎干细胞中培养出来。他们想知道在活体动物中，这些细胞是如何在更长的时间尺度上连接起来的。Vanderhaeghen说:“我们想知道那些在培养皿中训练的神经元在大脑战场上是如何发挥作用的。”

他的团队与鲁汶弗兰德斯VIB神经电子研究中心的文森特·博宁团队合作，将人类神经元汤移植到新生小鼠的皮层中，使其成为单个细胞而不是一团细胞⁴．

人类神经元通常需要6到12个月的时间才能成熟，而老鼠神经元则需要5周。Vanderhaeghen说，即使在老鼠大脑的环境中，它们也坚持自己的长时间线。“这表明，这种长时间的发育时间是由神经元本身编码的。”

研究小组发现，人类的神经元发育正常，融入老鼠的视觉回路并在其中发挥作用，就像老鼠细胞对视觉刺激的反应一样，比如移动黑白条。人类的神经元在外来大脑中安顿下来并正常工作，这是令人惊讶的——这暗示着细胞移植可能在未来被用于修复受损的大脑回路。

博宁说:“我们希望有一些联系，但我们非常惊讶于回应的具体程度。”“这有一百万种可能失败的方式。”

该团队还将健康的人类神经元移植到具有阿尔茨海默病遗传易感性的老鼠的大脑中。的工作⁵结果显示，人类的神经元在患病的大脑中退化，而老鼠的神经元却活了下来。这不仅证实了人类神经元特别容易受到阿尔茨海默氏症的影响，也为研究人员提供了一种观察活体患病大脑中人类神经元发生变化的方法。

德·保拉还在新加坡杜克-新加坡国立大学医学院(Duke-NUS Medical School)管理着一个小组，研究人类神经元是如何相互连接的，以及在发育障碍中这是如何被破坏的。他的团队将由人类iPS细胞制成的锥体神经元移植到成年小鼠的体感皮层中⁶．

与Vanderhaeghen的移植不同的是，这些移植在小鼠大脑中生长成致密的人体组织微移植物，并存活到5个月后实验结束。德保拉说:“我们对它的增长速度感到惊讶，这是一个庞大的网络。”“嗯，‘质量’是相对的——它大约是一个大扁豆的大小。”

集会的兴起

他说，移植的细胞大部分保持独立——超过90%的连接是人与人之间的——但它们确实向老鼠皮层的其他部分发送了投影，并从老鼠大脑接收了一些投影、血管和免疫细胞。这些支撑使该组织块持续发育了5个月，表现出正常发育中的人类胎儿大脑的行为——修剪神经元的分支和连接，并开始以协调的波发出信号。

德保拉的团队用唐氏综合症患者的细胞制成的神经元做了同样的移植实验⁶．他们发现，这些神经元形成的动态网络较少，神经活性较低——但尚不清楚这两种特征之间是否存在关系。该团队正在探索下一步。“我们可以在这种模式下做实验。显然，我们无法在成年人或胎儿的大脑中做到这一点，”德保拉说。

这些小组的移植是否会以某种方式改变老鼠的视觉或感官感知，使其更接近人类的版本?两个研究小组都没有测试移植小鼠的认知或行为，但都报告说，移植小鼠的行为一般与未移植小鼠相似。De Paola和Vanderhaeghen都对有限的人类神经元和连接数量能否改变老鼠的观点表示怀疑。Vanderhaeghen说:“我不认为哪怕是刺激几千个人类细胞也能驱动人类的行为或感知。”但他和德·保拉认为，在该领域工作的人应该努力确定在什么时候这种情况可能会改变。

长寿瀑样

在实验室对人脑组织的研究中，一项重大进展是脑类器官的兴起，这是一种在3D培养中培养脑干细胞时形成的自组织结构。

自2013年Madeline Lancaster和Jürgen Knoblich首次创造出大脑类器官以来，它们变得越来越复杂⁷．一些研究人员甚至将多个类器官拼接成“合成体”。

加州斯坦福大学的神经科学家Sergiu Pasca说，类器官的复杂程度足以成为询问许多关于人脑的问题的好方法，但即使是合成器官，其复杂程度也远不及真实大脑。他说，这是因为它们缺乏感觉输入、血管、免疫和支持细胞，无法接受反馈。此外，一旦结构长到3-4毫米以上，中间的细胞就会因为缺乏细胞培养液中的营养而死亡。很难支持他们的成长超过几个月。

为了克服这些限制，神经科学家们已经开始将类器官移植到动物的大脑中，以便更精确地模拟人类大脑回路的复杂性以及它们在疾病中是如何出错的。

拉霍亚索尔克生物研究所的神经科学家Rusty Gage的团队已经成功地将人类类器官移植到老鼠的大脑中，并使其存活长达11个月，几乎是老鼠的整个寿命⁸．利用这个系统，他们尚未发表的研究结果表明，人类神经元从胚胎样的状态成熟到更复杂的状态，类似于婴儿的神经元，并最终显示出成人神经元的特征。人类的大脑组织融入老鼠的大脑，生长血管，成熟并对刺激做出反应，甚至与老鼠的神经元形成稀疏但有效的连接。

阿比德·曼苏尔(Abed Mansour)作为与盖奇合作的博士后，建立了器官移植系统。他说，该系统在研究神经退行性疾病(如阿尔茨海默病)中的神经元发生了什么方面具有优势。器官移植中的人类神经元向宿主大脑发送长投影。曼苏尔说:“这可能会成为一个很好的系统，用来研究健康的人类神经元和受疾病影响的神经元之间的这一过程有何不同。”曼苏尔现在领导着他自己的团队，在耶路撒冷希伯来大学医学研究所工作。

盖奇的研究小组现在计划将阿尔茨海默症患者的细胞制成的类脑器官移植到健康的老鼠大脑中，反过来，将健康的人类类脑器官移植到模拟阿尔茨海默症症状的老鼠大脑中。目的是要找出是哪种细胞类型——神经元本身，还是星形胶质细胞等其他脑细胞——导致了这种疾病中的炎症。

实验室培育的人类胚胎下一步会怎样?

盖奇说:“这是我们第一次能够在疾病背景下监测活体人脑组织。”他说，有一天，这项研究可能导致个性化器官移植，取代病变或受伤的脑组织。

兰卡斯特现在是英国剑桥MRC分子生物学实验室的一名发育生物学家，对于她来说，类器官移植有它的一席之地，但她敦促研究人员仔细检查他们正在进行的动物实验，并确保它们是合理的。她说:“作为研究人员，我们需要小心——这是一个有大量论文发表的热门领域。”

至于类器官的伦理地位，在培养皿中，它们基本上被认为是一种花哨的3D细胞培养物。兰开斯特、盖奇和其他人认为它们不具备人类的感知、感觉或认知能力。盖奇说，移植的类器官融合得也不够好，无法赋予任何有意义的“人类特性”。

嵌合体胚胎

研究人类大脑发育的另一种方法是将人类的成分或组成部分添加到另一种动物发育的胚胎的早期阶段。几个小组已经尝试制造人兽嵌合胚胎来研究器官发育，以期有一天制造用于移植的器官。

一种方法是在动物胚胎受精几天内将人类干细胞添加到动物胚胎中，那时它们还只是分裂的小细胞球。科学家们已经在啮齿动物、牲畜身上进行了试验，并在2021年一项有争议的研究中对猴子进行了试验⁹，它们与人类的关系密切得多。然而，这些嵌合胚胎要么在非常早期的阶段后不发育，要么人类细胞迅速死亡。科学家们认为，这些来自不同动物的细胞差异太大，无法像胚胎细胞那样紧密地共存和交流。

有另一种方法可以产生可移植的器官——也许有一天，大脑组织可以用于研究和治疗疾病。在一种被称为囊胚互补的方法中，科学家使用一个稍晚的胚胎，称为囊胚，并引入突变，以阻止它产生特定的器官，如胰腺。然后，他们从另一种动物身上提取能产生该器官的干细胞，并将它们注射到囊胚中。

首先，猴人胚胎重新引发了关于杂交动物的争论

干细胞生物学家Hiromitsu Nakauchi的研究小组由斯坦福大学和东京医科和牙科大学联合组成，他们已经利用囊胚互补技术在大鼠体内培育出了老鼠的胰腺¹⁰．“从某种意义上说，我们使用胚胎作为生物反应器，因为它们应该知道如何生成器官，”中内说。

动物囊胚是否能与人的胰腺、肾脏或大脑区域正常发育是一个悬而未决的问题。加州大学旧金山分校的分子生物学家Bjoern Schwer说，当人类细胞从一开始就被混合到胚胎中时，有机体通常不能正常发育，但为一种器官或组织类型创造一个特定的生态位可以使人类细胞更容易为有机体的发育做出贡献。胚泡互补还没有在人类神经干细胞上进行过试验，但Schwer的团队和其他人正在考虑进行初步实验。他的第一个问题是，一块非人类灵长类动物的大脑是否可以在啮齿动物体内生长。

Schwer的团队已经使用囊胚互补来制造老鼠-老鼠嵌合大脑。在2018年与哈佛医学院弗雷德里克·奥尔特(Frederick Alt)团队的合作中，研究人员使用该技术在另一种老鼠品系的胚胎中培育出整个前脑区域¹¹．

“这是一个相当模块化的系统，我们可以用不同的方式来去除和替换大脑的不同区域，”Schwer说。例如，用相应的非人类灵长类动物的大脑区域而不是人类的大脑细胞替换老鼠大脑的一部分，可能会给研究人员提供一种更简单、更合乎伦理的方法来研究在活的有机体内猴子大脑区域的发展与人类大脑区域非常相似。Schwer已经获得了他所在大学的批准，可以使用猕猴和绒猴的胚胎干细胞，尝试在老鼠的大脑中产生一小块灵长类动物的前脑。

他还在考虑，在伦理和技术上，如何利用囊胚互补在发育中的老鼠大脑中生长出一块人类脑组织。例如，这样的实验可以测试某些突变是如何驱动人类脑瘤生长的，也许还能找到关闭它们的方法。

“我们还没有做到这一点，但这是我们的希望，”Schwer说。和其他神经嵌合体研究人员一样，他认为老鼠大脑中的一小块人脑不会产生类似人类的认知能力。

跨越认知界限

但正是这种可能性让伦理学家和公众感到担忧。华盛顿特区的生物伦理学家、威斯康星大学麦迪逊分校的名誉教授阿尔塔·查罗说:“神经系统的组合触及了使我们本质上成为人类的东西——我们的思想、我们的记忆、我们的自我意识。”她说，公众觉得人类的思维被困在动物的身体里，或半人半脑的生物里，令人不安。

她和其他伦理学家认为，公众对为什么要进行这项研究的理解存在很大差距。她说，神经嵌合体研究人员应该更经常地与公众分享他们的工作，例如效仿帕斯卡的例子给TED-style会谈．随着研究的进展，Charo注意到，研究人员将不得不考虑人类大脑组织的多大比例可能在一个盘子中开始接近认知，或在老鼠中唤起人类特征——以及什么时候这可能会增加动物的情绪困扰或痛苦。

另一个令人担忧的问题是，将人类胚胎细胞植入动物胚胎会产生不可预测的行为，以及它们的生长是否会失控。Moris说:“最具挑战性的是不确定多少比例的胚胎会被吸收。”“我们相信胚胎会‘做自己的事情’，但这可能不是我们所期望的。”

当然，神经嵌合体研究需要来自人类捐赠者的材料，也带来了关于同意的问题，以及如何正确地告知人们，他们的细胞可以被重新编程为神经元，并在培养皿、老鼠或胚胎中获得新生命。

Schwer认为，任何为iPS细胞研究提供细胞的人，在他们的细胞被用于制造神经组织之前，都应该咨询他们。“我也想知道，你呢?”

就布里万卢而言，他乐观地认为这项工作的未来效益可能会改变这种局面。“一旦你用它治愈了一种疾病——治愈了一个患有亨廷顿氏舞蹈症的孩子，或者治愈了你祖母的阿尔茨海默氏症——所有人都会同意。然而，实现这一目标的道路是坎坷的，而这正是我们目前所处的位置。”