【導語】2025年7月15日，中國天舟九號貨運飛船攜帶著一項前沿科技——腦類器官芯片，踏上了前往中國空間站的旅程。這一由中國科學院大連化學物理研究所研發的裝置，被譽為現代生物醫學的革命性工具。腦類器官，這一微縮版的人腦結構，不僅能夠模擬大腦發育和疾病過程，更在探索智能本質和太空環境對人類大腦影響方麵展(zhǎn)現(xiàn)出(chū)巨(jù)大(dà)潛(qián)力(lì)。本(běn)文將(jiāng)帶(dài)您(nín)深(shēn)入(rù)解(jiě)析(xī)這(zhè)一(yī)“微(wēi)型(xíng)大(dà)腦(nǎo)”的(de)原(yuán)理(lǐ)、應(yīng)用(yòng)及(jí)研(yán)究(jiū)價(jià)值(zhí)，一(yī)同(tóng)探(tàn)索(suǒ)生(shēng)命(mìng)與(yǔ)智(zhì)能(néng)的(de)奧(ào)秘(mì)。

出(chū)品(pǐn)：

作(zuò)者(zhě)：鄭(zhèng)勝(shèng)傑(jié)（計(jì)算(suàn)與(yǔ)神(shén)經(jīng)係統學博士生）

監製：中國科普博覽

2025年7月15日5時34分，中國天舟九號貨運飛船成功發射，奔赴中國空間站。這次任務搭載了一位極其特殊的“乘客”——一張大小僅如信用卡的“腦類器官芯片”。這個由中國科學院大連化學物理研究所研發的國際前沿裝置，將在太空環境中開展前所未有的腦科學研究。

天舟九號貨運飛船上搭載的腦類器官芯片

（圖片來源：央視新聞）

那麽，這個神奇的“腦類器官芯片”究竟是什麽？它能用來研究哪些科學問題？為什麽還要將它送上太空進行研究？本篇文章，糖心免费视频一起解析這個“微型大腦”的原理與研究價值。

“迷你大腦”及其構建的奧秘

想象一下，從一小塊皮膚上提取的細胞，經過科學家的精心“重編程”，就能變身為具有無限潛能的誘導多能幹細胞（iPSC）。這些神奇的細胞，在特製的“微型生態箱”裏培養一段時間後，竟能自發組織、生長、分化，最終形成一個微縮版的人腦結構——這就是被譽為現代生物醫學革命性工具的“腦類器官”（Cerebral Organoid）。

這項突破始於2013年。奧地利科學家Madeline Lancaster的團隊首次在旋轉培養體係中，成功誘導人類幹細胞自發形成了結構複雜的“迷你大腦”。這些米粒大小的組織，雖然遠不及擁有860億神經元的真實人腦，卻奇跡般地包含了多個腦區的雛形、活躍的神經元和初步的分層結構，能夠重現胎兒期大腦發育的關鍵特征。這標誌著人類在實驗室裏模擬大腦發育的夢想，邁出了堅實的第一步。

腦類器官

（圖片來源：維基百科）

那麽，腦類器官具體是如何培育出來的呢？通常，它的起點是誘導性多能幹細胞(iPSC)。科學家可以從誌願者捐贈的皮膚或血液樣本中輕鬆獲取普通細胞，通過特定技術將其重編程為誘導性多能幹細胞。隨後，這些細胞被置於精心配製的培養液中，模擬胚胎發育的微環境。

培育過程的關鍵在於三維培養技術：不同於傳統的扁平培養皿，這些細胞被包裹在特殊的凝膠基質中，並被放置在不斷旋轉的小型生物反應器裏。這種環境更接近體內條件，促使細胞自我組織、相互通信。它們會自發分化出神經元、星形膠質細胞等多種腦細胞類型，並像搭(dā)積(jī)木(mù)一(yī)樣(yàng)，逐(zhú)步(bù)構建出類似大腦皮層的分層結構。

腦類器官的應用：在培養皿中“再現”疾病

培育出了腦類器官，可以用來做什麽呢？其中最令人震撼的應用之一，是直接在培養皿中“重建”人類腦部疾病，特別是那些難以在動物模型中完美複現的神經發育障礙。

2015-2016年，寨卡病毒（Zika virus）在美洲大範圍爆發。當時還有一個令人心碎的現象：許多感染了寨卡病毒的孕婦，生下的嬰兒出現了嚴重的小頭畸形症（Microcephaly），大腦發育嚴重受損。但病毒究竟是如何導致這種後果的？當時科學界急需確鑿的證據。

2016年，美國約翰霍普金斯大學醫學院的研究團隊，利用腦類器官技術給出了關鍵答案。他們使用了一種革命性的工具——低成本、易操作的3D打印小型旋轉生物反應器（SpinΩ），高效地培養出包含前腦、中腦、下丘腦等多種腦區結構、具有清晰分層的人類腦類器官。

SpinΩ功能示意圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

研究人員將寨卡病毒注入這些正在發育的類器官。借助這個強大的模型，他們首次直觀地觀察到：寨卡病毒會精準攻擊一類對大腦發育至關重要的細胞——神經祖細胞（尤其是放射狀膠質細胞）。病毒導致這些“建築工”細胞大量死亡，嚴重破壞了腦組織的正常構建過程，最終導致類器官皮層變薄、整體尺寸顯著縮小，完美模擬了臨床上的小頭畸形症狀。

這項發表在期刊《Cell》上的研究，為寨卡病毒與(yǔ)小(xiǎo)頭(tóu)畸(jī)形(xíng)的(de)直(zhí)接(jiē)關聯(lián)提(tí)供(gōng)了(le)強(qiáng)有(yǒu)力(lì)的(de)實(shí)驗(yàn)證(zhèng)據(jù)。這(zhè)種(zhǒng)“在(zài)培(péi)養(yǎng)皿(mǐn)中(zhōng)重(zhòng)建(jiàn)疾(jí)病(bìng)”的(de)方(fāng)法(fǎ)，為(wèi)研究病毒如何破壞胎兒大腦發育打開了新大門，也為未來開發抗病毒藥物和疫苗提供了至關重要的可視化研究平台。

超越結構：培養皿中的“智能”火花

腦類器官的價值不僅在於模擬結構，更在於探索功能。2022年10月，另一項轟動研究成果橫空出世。澳大利亞Cortical Labs的研究團隊在《Neuron》雜誌上發表了令人驚歎的研究：他們成功讓培養皿中的腦細胞學會了“打電子乒乓球”遊戲！

這個被稱為DishBrain（培養皿大腦）的係統，並非完整的腦類器官，而是在高密度微電極陣列（HD-MEA）芯片上培養的約80萬個活體腦細胞，其來源包括人類iPSC分化的皮質神經元和小鼠胚胎神經元。研究人員將這套係統命名為Cyborg（賽博格）。在這個實驗中，電極負責向神經元傳遞“球”的位置信息，神經元則通過產生電信號來嚐試移動屏幕上的“球拍”進行回擊。

驚人的是，DishBrain僅僅用了約5分鍾就掌握了遊戲的基本規則並展現出目標導向的學習行為！而完成同樣任務的人工智能（AI）算法則需(xū)要(yào)大(dà)約(yuē)90分(fēn)鍾(zhōng)（這(zhè)裏(lǐ)的(de)AI指(zhǐ)傳(chuán)統(tǒng)算(suàn)法(fǎ)，無(wú)法(fǎ)與(yǔ)大(dà)型(xíng)深(shēn)度(dù)學(xué)習(xí)模(mó)型(xíng)等(děng)複雜AI係統直接比較）。研究人員還發現，人類神經元在遊戲中表現出的學習能力明顯優於小鼠神經元，這或許與人腦神經元獨特的結構（如更長的樹突、更高的密度）有關。

DishBrain“掌握”乒乓球遊戲實驗流程圖

（圖片來源：參考文獻[2]）

這項研究首次證明，即使是最基礎的體外培養的腦細胞群體，也能表現出內在的智能和學習能力，並主動適應環境變化。它不僅挑戰了糖心免费视频對智能本質的理解，也為開發更高效、更接近生物智能的新一代人工智能提供了靈感來源。

飛向太空的“迷你大腦”

腦類器官的研究步伐並未止步於地球實驗室。此次搭載天舟九號貨運飛船奔赴中國空間站的“腦類(lèi)器(qì)官(guān)芯(xīn)片(piàn)”，其(qí)核(hé)心(xīn)正(zhèng)是(shì)利(lì)用(yòng)人(rén)類(lèi)幹(gàn)細(xì)胞(bāo)構(gòu)建(jiàn)的(de)腦(nǎo)類(lèi)器(qì)官(guān)。

這(zhè)個(gè)芯(xīn)片(piàn)內(nèi)的(de)“迷(mí)你(nǐ)大(dà)腦(nǎo)”並(bìng)非(fēi)簡(jiǎn)單(dān)結(jié)構(gòu)，它(tā)包(bāo)含(hán)了(le)人(rén)類(lèi)大(dà)腦(nǎo)的(de)多(duō)種(zhǒng)神(shén)經(jīng)細(xì)胞(bāo)、免(miǎn)疫(yì)細(xì)胞(bāo)，並(bìng)正(zhèng)在(zài)嚐(cháng)試(shì)模(mó)擬(nǐ)包(bāo)括(kuò)微血管網絡在內的複雜腦環境，能夠真實地模擬人腦的微環境和功能。科學家們將其送入太空，目標直指一個困擾航天醫學已久的問題：長期駐留在太空可能影響宇航員的認知功能（如頭暈、睡眠障礙、注意力下降），這背後的原因還是未知的。或許，通過迷你大腦可以研究太空環境對人類大腦的影響機製，為太空的長期駐留生存和健康保障提供新的策略和幹預手段。

同時，太空環境如同一個“加速衰老器”。空間站中的多種環境因素（如輻射、微重力應激）被認為會加速細胞和組織器官的老化過程。通過觀察“迷你大腦”在太空中的變化，科學家希望能找到與神經退行性疾病（如阿爾茨海默病、帕金森病）相關的關鍵生物標記物和變化機製。

從實驗室奇觀到科學燈塔

從模擬胎兒發育和致命病毒感染，到展現基礎學習能力，再到飛向太空探索(suǒ)宇(yǔ)宙(zhòu)環(huán)境(jìng)對(duì)人(rén)腦(nǎo)的(de)影(yǐng)響(xiǎng)，培(péi)養(yǎng)皿(mǐn)中(zhōng)的(de)“迷(mí)你(nǐ)大(dà)腦(nǎo)”已(yǐ)經(jīng)從(cóng)一(yī)項(xiàng)令(lìng)人(rén)驚(jīng)歎(tàn)的(de)實(shí)驗(yàn)室(shì)奇(qí)觀(guān)，發(fā)展(zhǎn)成(chéng)為(wèi)探(tàn)索(suǒ)人(rén)類(lèi)大(dà)腦(nǎo)奧(ào)秘(mì)、攻(gōng)克(kè)腦(nǎo)部(bù)疾(jí)病(bìng)、甚至啟發人工智能設計的強大科學工具。

雖然目前的腦類器官還缺乏完整的腦區連接、關鍵細胞類型和足夠的規模，尚無法模擬人類複雜的認知、情感和意識活動，但其展現出的自我組織能力和對特定功能的模擬潛力已經令人無比振奮。

這些在培養皿中靜靜生長、釋放電信號的“微型腦組織”，正為糖心免费视频揭示生命早期發育的密碼、疾病侵襲的路徑、智能湧現的規律，乃至為人類邁向深空所必須應對的神經適應性挑戰提供重要的實驗依據。

參考文獻

[1]Qian, Xuyu, et al. “Brain-region-specific organoids using mini-bioreactors for modeling ZIKV exposure.” Cell 165.5 (2016): 1238-1254.

[2]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.