这是一个人科学生涯中令人羡慕的偶然时刻之一。

那天，美国哥伦比亚大学（Columbia University）的生物科学系副研究员，神经科学家 Angeles Rabadan 博士离开助理教授 Raju Tomer 的实验室之前，将一个装着只有几滴充满着细胞的培养液的试管储存在了孵育箱中。第二天早上，令人惊喜的事情发生了。Rabadan 说："管子里形成了细胞组成的小球，你可以看到有东西在连接它们。培养基中剩余的脑细胞在一夜之间聚集成了微小的神经球。
更重要的是，这些神经球自发地相互连接成了一个神经网络。当她向 Tomer 展示这些网络的数据时，他意识到该神经网络中和大脑类似的信号传递可能成为神经科学的一个新的、有价值的研究框架。他们将这些实验室培育的类脑细胞集合体称为模块化神经网络（Modular Neural Networks, MoNNets）。
经历了 2017 年夏天的惊喜发现后，Rabadan 与哥伦比亚大学 8 个部门和研究所的同事开始了诱人的研究之旅。该团队目前的研究成果发表在了《自然-通讯》（Nature Communications）上，这些进展可能使精神疾病方面的研究走出长期的低迷，
文章作者之一、哥伦比亚大学祖克曼研究所（Columbia's Zuckerman Institute）的首席研究员（PI）、研究精神分裂症的 Joseph Gogos 说："几十年来，精神疾病的治疗进展甚微。MoNNets 在这方面可能有很大的帮助——它们可用于找出神经和精神疾病的生物学基础，并高效地筛选成百上千种药物治疗方案。”
MoNNets 是基于实验室培养类器官这一主旨的变体：科学家们培育前体细胞、干细胞等使其增殖分化成不同器官的细胞类型，实现组织和器官的三维再现。有些甚至只有豌豆大小，被培育在实验室的玻璃器皿中。
Tomer 表示，研究证明类器官是研究心脏和肝脏等器官的有力工具。然而，当涉及到大脑时，类器官还没有完全达到最初的宣传效果。因为到目前为止，它们还缺乏实际大脑组织中的不同区域进行交流的网络活动。
同为祖克曼研究所成员的 Tomer 说："MoNNets 捕捉了这种网络活动，这就是为什么我们认为它们可以克服类器官的局限性，生成更好的 3D 脑组织模型。你通过 MoNNets 可以培养出独立的模块，它们各司其职进行自己的计算，但每个模块也可以在整体系统下进行交流——一个类似大脑的局部-整体动态活动。"
MoNNets 不仅对模拟健康的大脑有用，也可用于疾病脑模型的建立。此次工作中，研究人员利用携带精神分裂症相关基因的小鼠脑细胞培育出了 MoNNets。该 MoNNets 在类脑模块中表现出正常的局部活动，但整个组织网络的信号传递协调存在问题。
Tomer 表示，这种从“培养皿到疾病”的关系表明，由几百万个细胞组成的 MoNNets 可以模仿至少几百亿细胞组成的精神分裂症患者大脑的一些细胞和神经通路特点。
同时，这些 MoNNets 还体现了精神分裂症患者大脑的另一个生物学特征：与不含精神分裂症基因的脑细胞培育出的 MoNNets 相比，它们的神经网络结构以及信号传导功能不太稳定。
"神经回路和连接在不断变化和波动，"Tomer 说。"这可以帮助我们研究精神分裂症短期记忆丧失的原因，其中可能有类似的缺少稳定连接的情况。"
MoNNets 还可以列出一份 “自荐信” 来突出它们作为精神分裂症培养皿模型的候选资格。当研究人员用能改善精神分裂模型小鼠认知功能的药物处理 MoNNets 时，后者的细胞和神经网络变得更加稳定，并表现出更正常的网络活动。
该团队还计划使用定制的 MoNNets 研究其他神经系统疾病（包括癫痫和帕金森病）。Tomer 希望最终能开发一组定制的 MoNNets，模拟许多神经系统疾病影响下的大脑结构和功能。
"我们可以从这些不同的疾病模型中获取数据，然后通过数据分析和机器学习来找出每种疾病中在生物学上的 ‘独特’ 之处，"Tomer 说。“我们可以系统地模拟数百种疾病相关的基因突变，并利用 MoNNets 研究不同的基因如何影响大脑的神经网络及稳态。" Tomer 和他的同事提出，这样的数据可能为更准确的诊断和更好的治疗方案开辟道路。
它也有可能改变科学家看待精神疾病的思维方式。
哥伦比亚大学瓦格洛斯医学院（Columbia's Vagelos College of Physicians and Surgeons）生理学、神经科学和精神病学教授Gogos 博士说："通过对动物和人类大脑的观察，尽管很多精神疾病的遗传基础差别很大，我们已经了解这些疾病中普遍存在神经元及神经回路层面的缺陷。以往人们将精神疾病描述为可用对应药物来控制的脑中的化学物质失衡，而现在，精神疾病这一概念正在转变为神经回路的紊乱。”
他说："令人振奋的是，通过体外细胞培养，MoNNets 为模拟和研究这些通路缺陷提供了新的机会。
MoNNets 的“骨灰级粉丝”，美国佐治亚州立大学（Georgia State University）的神经科学家 Jordan Hamm（不是该论文的作者）。他在精神分裂症方面的工作主要是研究哺乳动物的大脑如何通过局部神经回路和整个网络之间的相互作用来处理感觉信息。
Hamm 说："MoNNets 代表了生物医学和药物发现的一个重大技术进步，特别是针对神经回路和网络病理的治疗，包括类似精神分裂症、自闭症和抑郁症等最具破坏性且还未得到充分治疗的疾病。”