本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
奧巴馬政府的神經科學計劃強調了新技術，以更好地瞭解大腦回路在小尺度和大尺度上的工作原理。從蛔蟲到小鼠的各種生物都將是該計劃的核心，因為人腦過於複雜，而且倫理問題過於複雜，無法以任何有意義的方式開始分析實際的人體器官。
但是，如果已經有辦法弄清楚大腦是如何自我連線的，並且反過來，利用這些知識來研究早期生活中各種神經系統疾病的情況呢？科學期刊上的報道已經開始逐漸出現，關於幹細胞如何自發地組織成複雜的大腦組織——一些研究人員稱之為迷你大腦。克里斯托弗·A·沃爾什（Christopher A. Walsh），哈佛醫學院兒科和神經病學布拉德教授，與《大眾科學》談到了這項工作對於理解大腦發育和神經系統疾病的重要性。（另請檢視《科學》上沃爾什和裴炳日（Byoung-il Bae）撰寫的關於此主題的觀點。）
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您能告訴我，為了更好地瞭解大腦是如何發育的，還缺少哪些工具嗎？
為了能夠理解大腦如何解決如此複雜的自我佈線問題，我們需要能夠在實驗室中嚴格地研究它。我們需要某種模型。我們不能直接把人放在顯微鏡下觀察，所以我們必須找到一種模擬大腦的方法。
小鼠對於理解大腦佈線和大腦中細胞的形成非常有用。小鼠將繼續非常有用。小鼠在研究特定基因的細胞效應方面特別有用，但是，隨著我們對問題的理解越來越深入，我們越來越能夠思考，不是我們與小鼠的共同之處，而是將我們與小鼠區分開來的差異。
這些人類特有的特徵是我們越來越迫切想要嘗試理解的，而這正是幹細胞模型開始產生越來越大影響的地方，因為它們確實是人類細胞，我們能夠以以前無法想象的方式操縱它們，讓它們在培養皿中製造出具有一些非常原始的人類特徵的大腦前體。
您能更具體地談談這些進展嗎？
幾年來，我們已經能夠在培養物中培養人類胚胎幹細胞。幹細胞是非常強大的細胞，因為它們可以形成多種細胞型別，並使我們能夠在培養物中研究複雜的細胞型別。然而，在過去幾年中發生的事情是，日本和奧地利的團隊已經開發出使幹細胞在培養物中形成複雜形狀的方法，這些形狀開始看起來像身體的一部分。[吉樹] 笹井（Sasai）的小組在日本已經能夠在培養物中製造胚胎幹細胞，並將它們轉化為看起來像眼睛的東西。最近，奧地利的尤爾根·克諾布利希（Juergen Knoblich）實驗室已經使幹細胞自行組織成非常像一個非常小、非常早期的人類大腦皮層的東西，有些人稱之為類器官或迷你大腦。
我們知道，許多發育的關鍵在於在幹細胞發育的結構形狀和複雜環境中發生的過程。因此，現在我們看到這些幹細胞可以再現的不僅是一種細胞型別，而實際上是一種結構和一個環境，其中細胞以複雜的方式相互作用，並且從一個細胞傳遞到另一個細胞的訊號可以影響發育。在實驗室中研究這些複雜的結構使我們能夠更好地瞭解早期發育過程中人腦中發生的情況。
隨著技術進步，您可能會解決哪些問題？
我們可以使用這些新工具解決的一個重要問題是人類疾病的機制。其中一些在小鼠中得到了很好的建模，因此我們可以在小鼠中建立一個突變，並瞭解一種疾病如何在人腦中起作用的機制。但是，其他基因看起來在人類和小鼠之間做的事情非常不同，因此我們只能透過在小鼠中研究它們來初步瞭解它們在人類中所做的事情。因此，人類幹細胞提供了額外的見解，可以將這些見解與小鼠的工作以及對人類細胞的直接研究結合起來。
如何使這些系統變得更好？
幹細胞可以形成像視網膜和大腦這樣的胚胎形狀，這真是太令人震驚了。這有點像狗用後腿跳舞，你會驚訝於它竟然能做到這一切。但是，為了使這些迷你大腦成為一種真正嚴格有用的科學工具，我們將必須找到方法來重複且可靠地一次又一次地培養這些結構，這樣我們就可以研究當這個過程被打亂時會發生什麼。
到目前為止，我們只能偶爾做到這一點。而這總是科學的第一步。但我確信技術改進指日可待。
還有其他正在開發的技術嗎？
人們有興趣看看是否可以透過將人類細胞放入小鼠大腦中並讓它們在那裡發育來更多地瞭解大腦。這使得一小部分人類細胞可以在一個較大的小鼠大腦中在相對正常的條件下發育，在那裡我們可以看到它們如何連線成結構。
但是，另一種方法實際上是讓人的幹細胞類器官發育到它們實際上具有牢固的連線，我們可以使用允許我們觀察這些神經元的電活動的技術進行研究。這是我們尚未做過的事情，但我們現在可以考慮做，在試管中構建複雜的結構。
類器官論文顯示了其中的電活動記錄，但他們沒有對詳細的電活動進行精確的定向研究。從目前所展示的內容來看，你可以看到這很有可能實現。
這令人興奮嗎？
這真是太棒了。像智力障礙和自閉症這樣的疾病是神經元之間電活動的疾病。但是我們認為我們大腦的連線方式與小鼠大腦的連線方式有很大不同。因此，很高興看到自閉症基因在真正的人類細胞中所起的作用。像自閉症、智力障礙和精神分裂症這樣的認知障礙是重要的領域，因為人類的認知與小鼠的認知有很大不同。
還有哪些研究可以使用這些模型？
這些技術對於理解調節人腦發育的基因的功能很有用，但是由於它們在進化壓力下，其作用方式與小鼠不同。來自克諾布利希的迷你大腦論文的一個例子是CDK5RAP2，它調節大腦中的細胞分裂，因此它調節大腦的大小。當在人類中發生突變時，它會導致小頭畸形並調節人類神經幹細胞的行為。
圖片來源：馬德琳·A·蘭開斯特（Madeline A. Lancaster）