移植到大鼠体内的人脑类器官为模拟疾病提供了新的方法

主持人:本杰明·汤普森

欢迎回到自然的播客．本周:将人类的大脑器官整合到老鼠的大脑中，以及外骨骼靴子，它可以在你走路的时候学习。我是本杰明·汤普森。

(押韵)

主持人:本杰明·汤普森

几周前的播客，你可能听过我们的一个长篇阅读节目，我读了肯德尔·鲍威尔(Kendall Powell)的一篇专题文章，这篇文章关注了世界各地的实验室将人类细胞移植到动物大脑中的努力，以更多地了解大脑发育和疾病进展等问题。本周自然其中一个研究小组发表了一篇新论文，证明移植到老鼠体内的人类神经元可以融入大脑，甚至影响老鼠的行为。Anand Jagatia报道。

采访者:阿南德·贾格提亚

2008年，一组科学家证明，你可以取一些人类皮肤细胞，将它们重新编程成干细胞，并使它们发育成复杂的3D脑组织——一小团脑细胞被称为神经器官。

受访者:Sergiu Pasca

类神经器官是在实验室培养皿中提取的细胞团块。它们不是整个大脑的缩小版。它们被认为是神经系统解剖学或功能的模型。

采访者:阿南德·贾格提亚

这是来自美国斯坦福大学的Sergiu Pasca。正如Sergiu所说，神经器官并不是一个小小的大脑。人类的大脑极其复杂，由数十亿个神经元组成，形成了无数的连接。但即便如此，自2000年代以来，类器官已经成为研究神经发育和大脑进化，以及某些神经精神疾病的有力工具。

受访者:Sergiu Pasca

我们需要模型来研究这些条件，保持一些遗传或基因组背景。因此，从患者身上提取的干细胞建立的模型对于开始解决或开始询问这些神经精神疾病的生物学问题是很重要的。

采访者:阿南德·贾格提亚

为了更好地理解这些情况，像Sergiu这样的研究人员将多个大脑器官连接在一起，形成称为“集合”的电路。但培养皿中的类器官只能发育到一定程度，所以如果你想让它进一步成熟，就必须把它移植到另一种动物的大脑中，比如老鼠。这已经在成年大鼠身上成功地完成了，但仍然存在障碍。

受访者:Sergiu Pasca

因此，移植到成年大鼠体内有很多限制。当然，其中一个原因是老鼠的大脑已经很好地形成了，所以对器官来说整合是更有挑战性的，因为老鼠的大脑，可以说，对形成新的连接不太感兴趣。

采访者:阿南德·贾格提亚

但现在，在一篇论文中自然本周，Sergiu和他的同事们用一种新方法克服了其中一些问题——将人类大脑器官移植到新生大鼠体内。

受访者:Sergiu Pasca

我们通过手术把类器官，直接放进对老鼠胡须有反应的皮层。然后我们发现，在接下来的几个月里，血管会在人体移植物中生长，这就是移植物存活的方式。它可以长到9-10倍大。基本上，最后，你得到了一个单位的人类皮层它位于大鼠大脑半球的一侧大约覆盖了大鼠大脑半球的三分之一。

采访者:阿南德·贾格提亚

这个人类皮层单元在结构和细胞类型方面与人类大脑不完全一样。但其中的神经元比通常的类器官生长和发育要多得多在体外．研究小组展示了人类大脑神经元可以被老鼠大脑皮层吸收的程度。

受访者:Sergiu Pasca

例如，我们发现可以在老鼠大脑中记录人类神经元的活动。如果你移动老鼠的胡须，你可以看到这些神经元在刺激后的活动。这告诉我们，其中一些人类神经元与大鼠对胡须刺激做出反应的通路相连。

采访者:阿南德·贾格提亚

所以，这些人类神经元能够接收输入，但它们也能产生输出吗?也就是说，人类脑细胞的活动是否会影响老鼠的行为?

受访者:Sergiu Pasca

因此，为了刺激人类神经元，我们利用了一项技术，将一种对光敏感的蛋白质放入人类神经元中。所以，当你向这些神经元传递蓝光时，神经元就会电活跃起来。我们训练老鼠将人类神经元的刺激与奖赏的传递联系起来。我们发现，确实，如果你进行几周的训练，老鼠会学会这一点，你可以刺激人类神经元，触发老鼠寻求奖励的行为。所以，在这种情况下，老鼠会去喝水。这告诉我们，人类神经元很好地融入了电路，但我认为这更多地说明了这种方法向前发展的潜力。

采访者:阿南德·贾格提亚

Sergiu认为这个系统可以用来更精确地模拟影响大脑的疾病，以及测试针对这些疾病的药物。通过研究这些类器官是如何成熟的在活的有机体内，也许有一天可以更现实地复制这种发展在体外模型。但当然，这样的研究引发了一系列伦理问题，涉及动物福利、人类捐赠者的同意，以及将人类脑组织植入其他物种的后果。

受访者:Sergiu Pasca

我们一直在非常仔细地监控这些动物，以确保它们不会遭受痛苦。例如，这些动物不会发生癫痫。另一个伦理方面是我们是否会看到宿主行为或生理上的任何增强或改变。一个问题是，你是否会期望老鼠在某些任务中表现得更好，对吧，例如，在记忆任务中，我们没有发现情况是这样的。我们没有发现老鼠的行为有任何变化。

采访者:阿南德·贾格提亚

在这些实验中，体内生长有人类神经元的老鼠与对照组没有任何不同的行为。但如果他们这样做了，会有什么道德影响呢?如果他们有更好的认知能力，会让他们更像人吗?还有更大的问题是，类器官是否具有道德地位，甚至是否具有意识。随着该领域的发展，这些问题将变得更加紧迫。但就这项研究而言，Sergiu指出，人类神经元的比例很小——在3000万个老鼠脑细胞中，大约有100万或200万个。Sergiu认为，人类细胞和老鼠细胞之间的差异限制了它们的融合程度。

受访者:Sergiu Pasca

老鼠的大脑发育需要一周多的时间。但人类需要20多周的时间才能制造出大脑皮层中的所有神经元。所以，当人类神经元开始形成的时候在活的有机体内，老鼠的大脑已经相当先进了。所以，可以这么说，在这两个物种之间，总是存在着这种脱节，我认为这构成了一些自然障碍，阻碍了这种融合到底能发展到什么程度。

采访者:阿南德·贾格提亚

驾驭所有这一切的伦理将需要科学家、伦理学家和公众之间的积极对话，以确定这个领域应该——不应该——如何发展。但Sergiu补充说，我们还必须考虑不进行这类工作的伦理后果。

受访者:Sergiu Pasca

我的意思是，人类大脑的生物学在很大程度上仍然是一个谜，神经精神障碍的生物学也是如此。越来越清楚的是，在未来，我们也需要人类模型来解决这些疾病。当然，模型越人性化，我们就越关心，围绕着这项工作的伦理问题。但我认为，我们在道德上有义务支持和研究这些造成如此多痛苦的疾病。

主持人:本杰明·汤普森

这是来自美国斯坦福大学的Sergiu Pasca。在节目笔记中可以找到他论文的链接，以及相关的新闻和观点文章。接下来，我们将听到一些外骨骼靴，可以帮助人们更有效地走路。现在，尽管感觉与往常略有不同，但是时候读本周由诺亚·贝克(Noah Baker)撰写的研究亮点了。

(押韵)

诺亚贝克

有没有想过是什么赋予爵士乐独特的声音?那美妙的踢踏舞，甩头舞什么也说不出．它有个名字，摇摆。这一切都与时机有关——与节拍的细微偏离创造出一种情绪。现在，一组研究人员正试图量化音乐家需要多少偏差才能使它成为摇摆。该团队用数字技术处理了四张爵士乐唱片，根据节奏部分改变钢琴独奏者的节拍。在某些版本中，独奏者的速度选择有30毫秒的延迟。在其他版本中，他们所有的节拍都被延迟了。然后，该团队让一组爵士音乐家听两种版本的音乐，并问他们:它会摇摆吗?在很大程度上，参与者对那些只有部分节拍偏离而有更多摇摆的版本进行了评价。他们报告说，这些表演者之间有愉快的摩擦，尽管他们无法确定差异的本质。 You can read more in通信物理．

(押韵)

诺亚贝克

中国是世界上最大的水泥、钢铁和其他建筑材料生产国，这些材料的生产会排放大量的二氧化碳。但一项新的分析表明，用氢为这些重工业提供动力可能是一种降低中国碳排放和对气候变化的贡献的划算的方式。中国的目标是到2060年实现净零碳排放，但减少重工业的碳排放具有挑战性。然而，清洁氢提供了一个机会。这是使用可再生能源或脱碳化石燃料产生的氢气，在燃烧时只产生水。因此，美国的一组研究人员模拟了中国如何使用清洁氢及其成本效益。他们得到了一些有趣的结果。例如，他们发现，到2060年，清洁氢气可以提供钢铁生产所需能源的29%。该分析还显示，通过转向氢能源，中国可以在2020年至2060年期间避免在其他清洁能源解决方案上花费近2万亿美元。此外，该研究还表明，清洁氢可以帮助其他国家减少重工业的碳足迹。 Read more in自然能源．

(押韵)

主持人:本杰明·汤普森

接下来，记者丹·福克斯正在研究一种新的外骨骼。

采访者:丹·福克斯

外骨骼是一种旨在增强和增强机动性的设备，由于近年来研究的爆炸式增长，外骨骼正迅速成为现实。

受访者:帕特里克·斯莱德

外骨骼是非常有益的，因为它允许我们改善某些方面的行动能力。

采访者:丹·福克斯

这位是斯坦福大学的帕特里克·斯莱德。

受访者:帕特里克·斯莱德

例如，如果我们想要走路更省力，或者走得更快，或者克服限制我们行动的行动障碍。

采访者:丹·福克斯

但现在，帕特里克和他的团队创造了一种新的外骨骼，他们希望它能克服一个特殊的挑战。

受访者:帕特里克·斯莱德

实际上很难让走路变得更容易，或者减轻膝盖疼痛，或者做这些我们关心的事情因为当我们每天走路的时候，我们会走很短的一段，我们会改变速度。我们不像在实验室里那样在跑步机上以固定的速度行走。

采访者:丹·福克斯

帕特里克的新外骨骼很智能，能在你走路时学习和适应。

受访者:帕特里克·斯莱德

所以，我们制造了一个脚踝外骨骼，这是一个机动单元，有点像机动靴，它在你走路时提供辅助。所以，当你走路时，它可以提供推离的帮助，这可以使走路更容易，因此需要更少的努力，并提高步行速度。

采访者:丹·福克斯

像这样的外骨骼之前已经被创造出来了。但让它与众不同的是它的适应能力。你看，为了提供最大的好处，外骨骼需要为每个用户精心定制。

受访者:帕特里克·斯莱德

过去，我们在实验室里用一个大机器来做这个实验，通过测量你的呼吸、氧气和二氧化碳来了解你的能量消耗。这是一个巨大的实验室设备，需要花费数小时来进行这些实验，所以在你可能会购买并佩戴的设备上做这些实验是不可行的。所以，这个项目很酷的一个部分是我们想出了如何在日常生活中为每个人提供个性化的帮助。

采访者:丹·福克斯

现在，帕特里克的设备不会根据用户的腿来改变形状或模具，但它会专门为每个用户量身定制提供辅助的方式。而且重要的是，它是在使用中运行的，不需要大的实验室校准或笨重的设备。相反，当用户第一次戴上该设备时，外骨骼立即开始监测他们的移动方式。

受访者:帕特里克·斯莱德

因此，当他们在短时间内行走，开始、停止和改变速度时，该设备能够根据他们的移动方式收集数据，并找出帮助每个人的最佳方式。

采访者:丹·福克斯

外骨骼可以通过多种方式调整它的支撑，从助推的时间到一步，再到辅助的扭矩或角度。但为了找出哪种干预措施可能最有帮助，它运行了一个基于实验室数据训练的模型，该模型可以预测代谢效益。这使得外骨骼可以尝试不同形式的辅助，进行排名和比较，直到达到最佳效果。

受访者:帕特里克·斯莱德

与一般的非个性化控制器相比，这将带来双倍的好处。

采访者:丹·福克斯

因为该系统是为任何用户设计的，不需要额外的编程，帕特里克和他的团队想要真正地测试它的速度，所以他们让受试者穿着外骨骼进入他们的大学校园，并提示他们以各种不同的方式走路。

走起路来就像你正在穿过街道一样。

采访者:丹·福克斯

这些是实验中的一些提示。

走起路来，就好像你度过了糟糕的一天，正步行回家。

采访者:丹·福克斯

他们发现，在这种现实世界的优化下，与普通鞋子相比，穿着外骨骼靴子的参与者走路速度快9%左右，消耗的能量少17%。帕特里克说，这种优化技术可能会对整个机器人产生影响。

受访者:帕特里克·斯莱德

真正令人兴奋的科学成果是，我们已经开发出一种方法，可以让机器人在日常生活中进行优化。因此，这个想法和这些方法可以广泛应用于许多不同种类的机器人设备，而不仅仅是外骨骼，在外骨骼中，你可以让人和机器人一起工作。因此，这可能是一个令人兴奋的机会来看到发展，例如，人-机器人工人合作或智能家居系统的其他方面。

采访者:丹·福克斯

他希望进一步的研究能让脚踝外骨骼帮助那些最需要它的人。

受访者:帕特里克·斯莱德

我们从来没有见过一种设备，你可以戴在身上，带在外面，像平常一样移动——启动、停止和改变速度——并真正看到移动的好处。这是非常令人兴奋的，因为在实验室里，这些设备非常有前景，已经进行了几十年的研究，现在我们看到这些设备可以转化为商业产品，你可以购买和佩戴，改善你的行动能力，可以做一些你以前不能做的事情。我们很兴奋，并开始研究如何将这些相同的想法和设备应用到老年人身上，例如，帮助他们更容易走路，提高走路的速度，以及那些有其他挑战的特定人群，除了走路的力度和走路的速度，例如膝盖疼痛，我们可以尝试在现实世界中使用同样的个性化方法来改善其他指标。

主持人:本杰明·汤普森

以上是来自美国斯坦福大学的帕特里克·斯莱德的讲话。在展览笔记中可以找到论文的链接，也可以在我们的YouTube频道上看到帕特里克新设计的视频。节目到此结束。但在我结束之前，我想简单介绍一下。下周,自然特别关注科学领域的种族主义，我们也在做同样的事自然的播客．所以，我们将为你带来一些不同的东西——一个特别的迷你系列，调查健康领域的种族主义。无论你在哪里收听播客，都要注意这一点。和往常一样，不要忘记你可以在推特上和我们保持联系——我们是@NaturePodcast——或者你可以给我们发邮件到podcast@nature.com。我是本杰明·汤普森。谢谢收听。