《Nature》重磅：人造“全脑”问世！人类离“缸中之脑”还远吗？

你有没有想过这样一个问题：我们大脑里那数百亿个神经元，究竟是怎么长出来的？

它们不仅要在精确的时间点诞生，还要像训练有素的士兵一样，移动到各自该去的位置，分化成数千种不同类型的细胞，最终建立起无比精密的连接网络。这一切，大部分在胎儿出生之前就已经完成，而大脑的发育还要持续到我们二十多岁才基本定型。

如果我们能亲眼看到这个过程，就像看一部延时摄影——从一颗细胞开始，慢慢分化、迁移、连接，最终变成一个能够思考、记忆、感受喜怒哀乐的器官——那该有多震撼？

现在，科学家真的做到了。只不过，他们观察的不是真实的人类大脑，而是培养皿里生长的“迷你大脑”。

神经元（绿色）在实验室培育的大脑模型中迁移，

称为组合体，由类器官融合而成。

图片来源：斯坦福大学Sergiu Pasca实验室

它有一个更正式的学术名称——脑类器官。通俗地讲，就是科学家在实验室里，用人类干细胞“种”出来的微型大脑模型。

这些“迷你大脑”有多大？大约只有三毫米，看起来像一小块形状不规则的口香糖。但它内部包含了数百万个神经元，神经元之间能互相传递电信号，甚至能自发地产生类似脑电波的节律性活动。

如果说真实大脑是一座拥有千亿居民的大都市，“迷你大脑”充其量只是一个几百人的小镇——但它已经具备了“镇子”的基本结构和运转方式。成年人脑约有860亿个神经元，而目前最先进的“全脑”类器官大约包含600万到700万个神经元。虽然规模差距悬殊，但这足以让科学家在一个可控的、透明的环境中，观察大脑发育的关键过程。

有些微小类脑结构能在实验室存活数月甚至数年。

图片来源：《自然》网站

“迷你大脑”的概念最早可以追溯到上世纪80年代美国哲学家希拉里·普特南提出的“缸中之脑”思想实验：如果把一个大脑取出放进营养液缸中、接上电极，它能否拥有完整的体验和意识？几十年前这还只是哲学层面的设想，如今，科学家已经在培养皿里把这个构想变成了现实。

2013年，奥地利分子生物技术研究所的尤尔根·克诺布利希与英国剑桥大学的玛德琳·兰卡斯特在《自然》杂志上发表了一篇里程碑式的论文，报告了全球首个由人类干细胞培育而成的三维脑类器官。当时的模型已经能够呈现前脑、脉络丛、海马等多个脑区的雏形。

从那时起，全球科学界掀起了一场“种脑狂潮”。各国研究团队不断优化配方和技术，相继培育出具有中脑、丘脑、小脑等特定脑区特征的类器官。

但这还不够。真实大脑不是一堆独立器官的简单拼盘，它是一个高度整合的整体。这个认知催生了下一步突破：科学家开始尝试将多个类器官“拼接”在一起，构建所谓的“类器官组合体”。美国斯坦福大学的塞尔吉乌·帕什卡团队已经构建了数十种组合体，融合了脊髓、大脑皮层和肌肉类器官。这就像把大脑的不同“拼图块”组合起来，让科学家能够观察一个脑区的神经元如何迁移到另一个脑区。

不过，“乐高式”的人工拼接仍然缺少生物学上的自然感。直到2025年7月，美国约翰斯·霍普金斯大学的研究团队在《先进科学》杂志上发表了一项重要成果——他们首次培育出了真正意义上的“全脑”类器官（多区域脑类器官，简称MRBO），不仅整合了多个脑区的神经组织，还引入了初步的血管网络。这标志着类器官向“统一运作、自给自足”的微型脑系统迈出了关键一步。

更令人惊叹的是，这个“全脑”类器官在细胞类型上与人类胎儿大脑40天左右的发育阶段高度相似，包含了约80%的常见神经细胞类型。约翰斯·霍普金斯大学的单核RNA测序数据进一步显示，这些细胞群簇与真实人类胎儿大脑有高达80%的重叠，基因表达的相似性极高。

在“迷你大脑”出现之前，科学家研究人类大脑发育主要依赖两种途径：一是用动物模型，比如小鼠大脑，二是靠人体死后捐献的脑组织样本。这两种途径都有明显的短板：小鼠大脑的发育节奏比人脑快得多，人类神经元的成熟周期约是小鼠的10倍，用小鼠研究人脑就像用蚂蚁的路线图导航大象的旅程；而死后组织又无法观察到活体发育的动态过程。

“迷你大脑”完美地填补了这个空白。它提供了一个“时间显微镜”，让科学家能够实时观察大脑的发育过程，尤其是那些在活人体内无法追踪的关键事件。

类器官模型帮助科学家锁定了一些关键的物种差异——代谢速率的差异、信号通路的不同、特定基因表达模式的改变。有遗传学家认为，人类的认知独特性可能就源于数百种低强度基因调控的叠加效应，它们精准地开启或关闭着特定脑区的特定基因。

当我们想知道“为什么人类大脑比猕猴大脑更复杂”时，我们不再只能猜测。我们可以在培养皿里直接比较两者的“迷你大脑”在发育过程中的差异。

“迷你大脑”最令人振奋的应用，恐怕还是在疾病研究和治疗领域。

以自闭症为例。科学家很早就观察到，许多自闭症患儿在婴儿期就表现出大脑尺寸异常增大的现象，但这背后的机制一直是个谜。2025年底，北卡罗来纳大学教堂山分校的研究团队利用人类皮层类器官，成功识别出了与自闭症相关大脑尺寸变化密切相关的两种关键细胞类型。他们发现，在大脑过度生长的自闭症模型中，某些细胞的增殖速度显著加快，而另一些细胞的分化路径则受到了干扰。

类似的突破也发生在阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病领域。因为精神分裂症、自闭症、阿尔茨海默病等疾病往往影响的是整个大脑网络而非单一区域，过去单一脑区的动物模型很难捕捉到这些疾病的全局性变化。而“全脑”类器官的出现，让科学家有机会在病程的极早期阶段捕捉到病变的起源。

更令人兴奋的是，基于类器官的疗法已经在走向临床应用。 2026年，全球首个基于类器官研发的疗法将正式进入临床试验。这项疗法针对的是蒂莫西综合征——一种由基因突变引起神经元迁移受阻，进而导致癫痫和孤独症的罕见疾病。科学家已经在类器官组合模型中成功地修复了相关遗传缺陷。

在药物研发方面，“迷你大脑”同样前景广阔。目前，神经系统药物在临床试验第一阶段的失败率高达96%，主要原因是前期研发依赖动物模型，而动物神经元与人类神经元的行为差异太大。相比之下，从患者自身细胞培育的“迷你大脑”可以更精准地反映个体对药物的真实反应，极大地提高了药物筛选的准确性。

尽管“迷你大脑”带来了颠覆性的改变，但这项技术还远未成熟，面临着一系列需要克服的瓶颈。

最大的挑战之一是“催熟”问题。若要研究青少年期甚至成年后的大脑发育，科学家不可能真的在培养皿里等待类器官自然生长10年。他们希望将长达15到20年的发育进程压缩到短短几个月内完成，但这个过程绝非易事。目前有科学家尝试通过小分子组合或提升线粒体功能来加速神经元成熟，但这种“拔苗助长”会不会扭曲细胞的真实功能，目前还是一个巨大的问号。

另一个关键瓶颈是血管化。目前的脑类器官还缺少完整的血管网络支持。这意味着器官内部的细胞可能会因为缺氧而死亡，形成坏死的核心区域。虽然有研究团队已经成功引入了初步的内皮细胞和血管网络，但要实现真正的功能性血管系统，还有很长的路要走。

此外，类器官的标准化问题也困扰着这一领域。不同实验室培育出来的“迷你大脑”之间可能存在显著差异，这在某种程度上降低了研究结果的可比性。

随着“迷你大脑”的结构越来越复杂、功能越来越接近真实大脑，一个无法回避的伦理问题浮出了水面：这些培养皿里的“迷你大脑”，有可能产生意识吗？

目前的主流科学共识是：现有“迷你大脑”还远远达不到产生意识的程度。它们缺乏真实大脑的关键结构基础——比如足够的神经连接规模、与外界感知的输入通道等。美国国立卫生研究院（NIH）在最近的指南中指出：“目前没有生物学证据表明，与中枢神经系统组织相对应的类器官存在值得关注的问题，例如意识或疼痛感知。”

不过，多位伦理学家和技术专家认为，随着近期技术的突破性进展，这一立场可能需要被重新审视。有学者提出，如果未来科学家将人脑类器官移植到动物大脑中、形成“嵌合体”，情况就会变得更加复杂——类器官是否可能通过动物的感觉系统获得外界输入的信号，从而发展出某种形式的“体验”？

当前，伦理学界的共识是：对于目前研究中使用的小型、简化的脑类器官，无需过度担忧伦理问题。但与此同时，针对更复杂的类器官组合体、类器官移植等方向的伦理框架建设，已经刻不容缓。

从2013年第一个三维脑类器官问世，到今天能够整合多个脑区、引入初步血管网络的“全脑”类器官，这项技术只用了短短十几年就走过了漫长得难以想象的历程。奥地利分子生物技术研究所的发育生物学家尤尔根·克诺布利希甚至直言，该领域正迎来“历史性的转折点”。

未来的“迷你大脑”还会如何进化？科学家已经在尝试将两个或多个类器官拼接成更复杂的网络，甚至有研究团队开始探索将脑类器官与微电极阵列结合，构建出体外“可被训练的微型人脑”平台，将“外界信息—神经网络学习—记忆巩固—遗忘衰退”这一完整的认知闭环搬进培养皿中。

当然，我们离在培养皿中“造出”一个完整的人类大脑还有很长的路要走。但每一点进步都在提醒我们：人类对自身大脑的理解，或许正在进入一个前所未有的新阶段。

而这一切的起点，是一个只有米粒大小的“迷你大脑”——它静静地悬浮在培养皿中，却正在解锁人类大脑最深处的密码。

参考文献
1.Nature News. Mini-models of the human brain are revealing how the organ develops and malfunctions. Nature (2026).
2.Lancaster, M. A., et al. (2013).Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature, 501(7467), 373–379.
3.Kshirsagar, A., et al. (2025). Multi-Region Brain Organoids Integrating Cerebral, Mid-Hindbrain, and Endothelial Systems. Advanced Science, 12(33), e03768.
4.Madison R. Glass et al, Human cortical organoids recapitulate inter-individual variability in infant brain-growth trajectories, Cell Stem Cell (2025). DOI: 10.1016/j.stem.2025.12.001.
5.Johns Hopkins University. (2025, July 28). Johns Hopkins scientists grow novel 'whole-brain' organoid. EurekAlert / JHU Biomedical Engineering.