夜雨聆风在武汉大学生命科学实验室的显微镜下，有个神奇的小东西正在悄悄“工作”。指甲盖大小的芯片上，一团由人类干细胞诱导分化形成的类器官微微发光，里面的神经细胞，正像我们大脑里的神经元一样，不断释放微弱电信号，还能“指挥”旁边的微型心脏规律跳动。
这不是科幻电影里的特效场景，而是武汉大学陈璞教授团队公布的一项研究成果：跨胚层共发育类器官芯片。简单说，就是科学家们用人类干细胞，在芯片上“种”出了一个迷你版的“心脑系统”。它最特别的地方，不只在于同时长出了“脑”和“心”，更在于这两个器官样结构之间建立了联系，能够模拟人体中心脑联动的部分过程。
图源：中原网报道
我们平时用的电脑、手机，核心芯片几乎都是用硅做的，靠二进制信号完成运算。今天的芯片本身也能配合存储单元、算法系统和专用架构，实现记忆、学习等复杂功能，人工智能芯片更是这一方向的重要代表。相比之下，人脑的特别之处在于，它不依赖外部模块的拼接，就能把信息处理、学习、记忆、适应和容错等能力高度整合在一个生命系统之中。也正因如此，科学家一直在探索，能不能借助真实神经元网络，更深入理解大脑工作方式，并发展新的实验与计算模型。
武大团队选用的，是一种叫“人诱导多能干细胞”的细胞。这种细胞不用从胚胎中获取，却能在合适条件下分化成多种人体细胞，比如脑细胞、心肌细胞。科学家把它们放进提前设计好的芯片中，这块芯片内部布满了微小流道和电极，就像一个高度精密的“微型培养室”。在温度、营养和生化信号的共同调控下，原本一团干细胞开始有序分化：一端形成脑组织，一端形成心脏样组织，中间还出现了连接两者的神经纤维。
图源：《Engineering》论文
图源： NIGMS (NIH) Image Gallery
大约4周后，这个“心脑共发体”逐渐成熟。显微镜下，脑类器官中的神经元不断放电，心脏样组织则保持自主搏动。更重要的是，当研究人员对脑部区域进行刺激时，心脏搏动节律也会发生变化。这说明，在实验环境下，芯片上的神经组织已经能够对心脏活动产生调控作用，初步呈现出类似人体心脑联动的特征。
可能有人会问：这不就是在芯片上培育了两个“迷你器官”吗，和“计算”有什么关系？关键就在于芯片上的微电极阵列。它相当于给这些神经元装上了一套“信号采集器”，能实时记录神经元放电，再把这些生物电信号转化为可分析的数据。换句话说，科学家不仅是在培育器官，也是在观察活体神经网络如何处理信息、如何对刺激作出反应。
这项成果最大的突破，在于它不再停留在“单个器官各自培养”的阶段。过去，类器官研究往往是分别培育迷你脑、迷你心脏，却很难模拟器官之间的真实联系。而这次，研究团队攻克了“跨胚层共发育”的难题，让来源相同的干细胞在同一平台上同步分化，形成了有功能连接的复合系统。这让实验模型更接近真实人体，也让很多过去难以观察的问题，有了新的研究条件。比如，研究人员可以更直观地观察神经活动变化是否会影响心脏搏动，也可以进一步分析某些药物在作用于神经系统后，是否会连带引起心脏功能的改变。
它的现实价值，首先体现在新药研发上。长期以来，新药研发高度依赖动物实验，但动物和人的生理结构毕竟存在差异，很多药物在动物身上有效，到了人体却效果有限，甚至会出现副作用。现在这种基于人类细胞构建的类器官芯片，能够更直接地模拟人体反应。比如测试药物时，研究人员可以同时观察心脏搏动和神经活动的变化，更早判断药物是否有效、是否存在风险。
因此，这项技术真正重要的地方，其实是为医学研究提供了更接近人体真实状态的实验模型。未来，它有望先在药物筛选、疾病研究、神经修复等领域发挥作用。至于“生物计算机”这样的更长远目标，现在还属于前沿探索阶段。
从单一器官到多器官联动，从静态培养到功能互作，这块小小的芯片展示了一种新的研究思路：要理解生命，不能只看孤立的器官，还要看它们如何彼此连接、相互影响。某种意义上，这项突破让我们离人体运作的真实图景，又近了一步。
供稿单位：重庆理工大学计算机科学与工程学院
作者：重庆理工大学 汪芷丞
审核专家：车蕊彤
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