這三個孩子的第一次大腦發育時，情況完全失控，他們患上了嚴重的癲癇和自閉症。現在，生物學家利用這些患有毀滅性疾病——蒂莫西綜合徵的患者的幹細胞，第二次培育他們的大腦——在實驗室培養皿中，以微縮的形式。
科學家們在週三的《自然》雜誌上報告說，這些迷你皮層忠實地重現了異常的大腦發育，這項研究可能為預防或治療這種罕見疾病指明方向。
在培養皿中生產迷你蒂莫西綜合徵大腦只是“腦類器官”這一新興科學領域中取得的非凡新進展之一。“腦類器官”是微型的、三維的、類人腦的結構。科學家們希望，這些實驗室的創造物能夠比小鼠大腦（目前的首選）更好地模擬嚴重的精神和神經疾病，如精神分裂症、自閉症和阿爾茨海默病，揭示出錯之處，併為實驗性治療提供試驗場所。
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但是，自從2013年首次從幹細胞中創造出腦類器官以來，它們就引發了激烈的倫理辯論，包括它們是否會遭受痛苦、感到疼痛或有意識——以及它們是否擁有人權。
雖然這似乎有些牽強，但在週三發表在《自然》雜誌上的第二項研究中，描述了在特殊的生物反應器中，從健康人的幹細胞中培養數百個腦類器官長達九個月或更長時間。這些迷你大腦發育出數十種腦細胞，從在大腦皮層中產生神經元的細胞，到連線右腦和左腦的細胞。它們連線成工作電路——不會產生思想或情感，但會像人類大腦那樣產生電活動。
奧地利分子生物技術研究所的尤爾根·克諾布利奇（Juergen Knoblich）說：“這表明該方法具有比我們想象的更大的潛力。” 他是建立腦類器官的先驅，但沒有參與這兩項研究。“他們已經表明，如果你讓[迷你大腦]生長足夠長的時間，它將產生我們在人腦中看到的全部細胞。”
明尼蘇達大學的生物學家蒂莫西·奧布萊恩（Timothy O'Brien）表示，這兩篇新論文“為我們提供了前所未有的觀察人類大腦及其發育的方式”，他也利用幹細胞生成了腦類器官，但沒有參與這項新研究。他說，這兩項研究的關鍵進展是“揭示了更多複雜性，表明這些東西真的看起來像人類的大腦。”
在蒂莫西綜合徵研究中，斯坦福大學醫學院的科學家從三名患者捐贈的人類細胞——成纖維細胞開始。使用現在標準的技術，他們將這些細胞透過生物時間機器，使其恢復到類似胚胎的幹細胞狀態。透過新增適當的營養物質，研究人員不僅可以刺激這些幹細胞生長成腦細胞——這項技術已經存在十多年了——還可以形成小球。
每個小球的直徑約為1/16英寸，包含100多萬個細胞。它們被稱為皮質球體，與腦類器官的不同之處在於，前者模擬大腦的特定區域，例如前部，而不是許多部分。
斯坦福大學的塞爾吉烏·帕斯卡（Sergiu Pasca）博士和他的同事希望這些球體能夠揭示蒂莫西綜合徵的病因。其中一批模擬了大腦深處的一個區域，另一批模擬了皮層，即發生思考的褶皺外層。在胎兒中，來自大腦深處的神經元會遷移並連線到皮層的神經元，形成支援思考、判斷、計劃和其他高階功能的功能迴路。
在融合了兩個皮質球體——皮層和深層之後，帕斯卡和他的同事觀察了這些神經元幾天，發現來自深層的神經元是糟糕的遷移者。它們斷斷續續地移動、停止和開始，好像不確定是否或往哪裡移動。然而，它們比正常大腦中的神經元遷移得更多，似乎是為了彌補它們的困惑而橫衝直撞。
帕斯卡說，這些球體“幫助我們瞭解患有與蒂莫西綜合徵相關的不同突變的患者的大腦發育是如何出錯的。” （斯坦福大學已為生成特定大腦區域的球體申請了專利。）
帕斯卡說，通常用於治療高血壓的鈣通道阻滯劑在迷你大腦中產生了正常的神經元遷移，顯然是透過修復使神經元過於跳躍的缺陷。即使進一步的研究表明這些藥物可以恢復正常的神經元遷移，一個很大的問題仍然存在：在出生後，當大腦的基本佈線圖已經確定時，給予這些藥物是否為時已晚？
帕斯卡說：“我們不知道。但是，在嬰兒期甚至童年時期，可能存在一個稍後糾正大腦回路的機會視窗。”
早期的研究已經產生了具有不同區域（如海馬體、運動區域和視覺區域）以及具有電活性的神經元的腦類器官。當從患有小頭畸形的患者的幹細胞中創造出來時，培養皿中的大腦類似於這種通常致命的疾病；從患有嚴重自閉症的患者的細胞中創造出來的腦類器官表明，失控的神經元生長是該疾病的根本原因。
但是，週三的第二項研究更進一步。哈佛大學的科學家也從幹細胞中培養了他們的腦類器官，培養時間比以往任何時候都長：九個月或更長時間。在旋轉的生物反應器中的燒瓶中生長，保持營養充足，這些類器官比以前的迷你大腦發育出更成熟和更多樣化的神經元。對單個細胞進行的複雜基因測試顯示，神經元的多樣性與真實大腦中的相似。
存在數十種型別：產生稱為神經膠質的支援細胞的細胞、抑制其他細胞的神經元，以及連線大腦半球的胼胝體神經元。哈佛大學和博德研究所的葆拉·阿洛塔（Paola Arlotta）領導了這項研究，她說：“一個在燒瓶中發育的類器官可以產生如此多種型別的神經元，這令人印象深刻。”類器官發育的時間越長，它擁有的細胞型別就越多。
而且神經元發揮了作用。它們長出微小的突起，稱為樹突棘，這些突起接收來自電路中其他神經元的訊號，並且在至少生長了八個月的七個類器官中，有六個形成了活躍的神經元網路，併產生電活動。阿洛塔說，它們“彼此連線，形成迴路，一旦連線，它們就可以同步活動”，從而可能模擬“人腦的高階功能”。
生物倫理學家才剛剛開始思考這其中的含義。阿洛塔說，諸如腦類器官是否以及何時可能變得有感知能力等問題是“重要的”，“我們需要作為一個社群討論這些問題。不僅僅是科學家，而是我們所有人。”
明尼蘇達大學的奧布萊恩說，最大的培養皿中的迷你大腦只有4毫米大小——大致相當於海兔或水母的大腦——“只是人腦的一小部分。你確實看到了一些神經迴路的形成，但沒有一個接近有感知能力所需的大小，而且它們不夠複雜到能感受到疼痛。”
他補充說，開發更好的人腦模擬物“將需要更多時間，但也許比我們想象的要少”。