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Gli scienziati stanno coltivando "mini cervelli" (noti anche come organoidi cerebrali) in piastre di Petri, sperando di utilizzare questi gruppi di cellule nervose cerebrali per simulare alcune funzioni cerebrali e approfondire e cambiare la nostra comprensione dello sviluppo neurologico e delle malattie del cervello.

Stanno lavorando duramente per renderli più simili al cervello umano e negli ultimi anni hanno fatto progressi particolarmente rapidi. Hanno anche scoperto alcuni fenomeni sorprendenti, come i neuroni cresciuti in vitro che si attivano spontaneamente neuroni nel cervello umano. Un modo per stabilire nuove connessioni; onde cerebrali attive simili a quelle osservate nel cervello dei neonati prematuri sono state osservate negli organoidi cerebrali e questa attività elettrica coordinata a livello cerebrale è uno dei tratti distintivi del cervello cosciente.

Pertanto, una domanda diventa urgente: questi organoidi cerebrali alla fine porteranno alla coscienza? Gli scienziati sono alla ricerca di risposte.

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Negli anni '80, la filosofa americana Hilary Putnam propose il famoso esperimento mentale del "cervello in una vasca". Meno di mezzo secolo dopo, i biologi sono stati in grado di far crescere veri e propri “mini cervelli in una vasca” – organoidi cerebrali – in piastre di laboratorio.(organoidi cerebrali)。

Sebbene si tratti di un ammasso di cellule nervose cerebrali largo solo pochi millimetri, può già simulare alcune funzioni cerebrali. E presto ci siamo trovati di fronte a una domanda importante: tali organoidi cerebrali potrebbero produrre coscienza?

La ricerca sugli organoidi cerebrali sta progredendo rapidamente

organoidi(organoide)detti anche microrganismi(mini-organo)Come suggerisce il nome, è un modello in miniatura simile a un organo reale. Si auto-organizza attraverso la coltura tridimensionale di cellule staminali pluripotenti o cellule adulte in vitro. È molto simile alla struttura degli organi umani e può riprodurne alcuni funzioni dell'organo imitato.

L'origine degli organoidi può essere fatta risalire al 1907, quando HV Wilson, professore di zoologia presso l'Università della Carolina del Nord, pubblicò un articolo[1], rivelando che le cellule di spugna separate meccanicamente possono riassemblarsi e auto-organizzarsi in nuove spugne che hanno anche normali funzioni vitali.

Negli anni '50, altri scienziati avevano condotto gli stessi esperimenti utilizzando altre cellule animali, dimostrando che le cellule dei vertebrati avevano la capacità di auto-organizzarsi. Ciò stabilì un'importante caratteristica indispensabile per la futura tecnologia di coltivazione degli organoidi: la capacità di auto-organizzazione, proprio come Finché viene fornito un ambiente di coltura adatto, le cellule svolgeranno i loro compiti e si auto-organizzeranno per formare organoidi.[2]。

La tecnologia delle cellule staminali è un’altra chiave per il fiorente sviluppo degli organoidi. Negli anni '80, il team dell'ex scienziato sovietico AJ Friedenstein condusse una serie di esperimenti all'avanguardia e scoprì un tipo di cellula staminale osteoblastica nel midollo osseo.[3]o cellule staminali stromali del midollo osseo[4], può generare una varietà di tessuti ossei attraverso esperimenti in vivo[5]. Negli anni '90, Arnold Caplan, professore di biologia alla Case Western Reserve University negli Stati Uniti, le ribattezzò cellule staminali mesenchimali.(Cellula staminale mesenchimale, MSC)[6], e alla fine questo titolo fu generalmente accettato dalla comunità accademica. Confermata la MSC[7]È una cellula staminale pluripotente con capacità di autorinnovamento e differenziazione multidirezionale. Può essere trasformata in vari tipi cellulari e ha un ampio valore di applicazione clinica.

Sempre negli anni '80, anche il professor James Thomson, biologo dello sviluppo dell'Università del Wisconsin-Madison, si dedicò a lungo a questo campo, esplorando il potenziale delle cellule staminali nei primati. Fino al 1998, ha utilizzato embrioni umani donati per costruire la prima linea di cellule staminali embrionali umane al mondo.[8]. Nel 2007, ha collaborato con il team di Shinya Yamanaka presso l'Università di Kyoto in Giappone e ha indotto con successo cellule umane adulte in cellule staminali pluripotenti.(iPSC)[9]. Le cellule iPSC hanno il potenziale per proliferare indefinitamente in vitro. Non solo possono esprimere marcatori di cellule staminali nelle cellule staminali embrionali, ma hanno anche il potenziale per differenziarsi in cellule o tessuti dei tre strati germinali.[10]。

A questo punto tutto è pronto. Il rapido sviluppo nel campo delle proprietà auto-organizzanti e delle cellule staminali ha dato nuova vitalità alla ricerca sugli organoidi. Il primo decennio del 21° secolo ha inaugurato una fiorente serie di risultati: gli organoidi del fegato.[11], organoidi intestinali[12], retina, prostata, polmone, rene, seno, organoidi cerebrali, ecc. sono stati coltivati ​​con successo uno dopo l'altro. Gli organoidi sono diventati un argomento di ricerca caldo con il loro rapido sviluppo. Nel 2013, gli organoidi sono stati citati da Science（Scienza）Il Journal ha nominato le dieci migliori tecnologie dell'anno[13]. Altri 10 anni dopo, nella sua previsione delle "Top Ten Global Breakthrough Technologies" nel 2023, la MIT Technology Review ha previsto che, man mano che i ricercatori esplorano come progettare tessuti complessi da zero, coltivare organi personalizzati nelle fabbriche e ingegnerizzare la produzione di organi, la tecnologia maturerà nei prossimi 10-15 anni.

Tra i tanti organoidi, gli organoidi cerebrali rappresentano un capitolo particolarmente colorato. Per centinaia di anni, svelare i misteri dello sviluppo del cervello umano e delle malattie neurologiche è stata una grande sfida nei campi della scienza e della medicina del cervello. La comunità accademica ha compiuto vari sforzi, non solo stabilendo vari modelli cellulari e animali in vitro e in vivo , ma anche cercando di utilizzare metodi II Dimensionali vengono utilizzati per coltivare i neuroni del cervello umano per analizzare i meccanismi delle malattie correlate. Tuttavia, per i modelli animali, a causa delle differenze tra le specie, i modelli cerebrali degli animali da laboratorio non possono simulare completamente la complessità del cervello umano e i risultati sperimentali potrebbero non essere completamente applicabili al cervello umano. Anche la struttura spaziale, la complessità dei tipi cellulari, le interazioni e il microambiente dei neuroni bidimensionali coltivati ​​in una piastra di coltura sono lontani da quelli del cervello umano tridimensionale.[14]。

Gli organoidi cerebrali compensano semplicemente le carenze di cui sopra. Nel 2008, il biologo giapponese delle cellule staminali Yoshiki Sasai(Yoshiki Sasai)Scoperta della squadra[15], le neurosfere derivate dall'organizzazione spontanea delle cellule staminali possono produrre strutture di tipo corticale, comprese cellule progenitrici corticali e neuroni funzionali. Questo è il primo modello organoide cerebrale primario. Nel 2013, Jürgen Knoblich dell'Istituto di biotecnologia molecolare dell'Accademia austriaca delle scienze e Madeline Lancaster, biologa dello sviluppo dell'Università di Cambridge nel Regno Unito, hanno riferito su Nature（Natura）Articoli pubblicati[16], hanno riportato i primi organoidi cerebrali tridimensionali derivati ​​da cellule staminali pluripotenti umane. Il team ha utilizzato il matrigel biogel per simulare il tessuto che circonda il cervello e ha utilizzato un bioreattore rotante per favorire l'assorbimento dei nutrienti e la diffusione dell'ossigeno in tale coltura in sospensione tridimensionale continua. Aggiungendo fattori di crescita che promuovono lo sviluppo neurale, è stata finalmente ottenuta una cultura di organoidi cerebrali ulteriormente migliorata, che contiene molteplici strutture di aree cerebrali indipendenti e interdipendenti simili al prosencefalo, al plesso coroideo, all'ippocampo e al lobo prefrontale.

Successivamente, gli scienziati di tutto il mondo hanno continuato a esplorare vari organoidi cerebrali specifici della regione del cervello. Hanno combinato diverse piccole molecole e fattori di crescita e hanno ottenuto con successo organoidi cerebrali tra cui il mesencefalo, il talamo, il cervelletto, lo striato, ecc. Altri scienziati stanno cercando di assemblare due o anche più organoidi di regioni cerebrali per formare "quasi-assemblaggi"(assemblee), per simulare ulteriormente lo sviluppo del cervello umano, la migrazione dei neuroni e altri processi in condizioni reali. Ad esempio, un articolo del 2019 pubblicato su Cell Stem Cells（Cellula staminale Cellula）Articoli su riviste[17]Fondete gli organoidi talamici con gli organoidi corticali per simulare il processo di proiezione bidirezionale neuronale tra il talamo e la corteccia. Oltre all'assemblaggio di più regioni cerebrali, ci sono anche studi[18]Assemblando organoidi cerebrali con organoidi non neuronali come il tessuto muscolare e osservando l'innervazione dei nervi verso altri tessuti, abbiamo ottenuto risultati simili a quelli del corpo umano reale.

Un semplice diagramma dello sviluppo della tecnologia degli organoidi cerebrali, fonte: 10.1038/s41392-022-01024-9[19]

Differenze dal cervello reale

In effetti, gli organoidi cerebrali sono larghi solo pochi millimetri e sono gruppi di cellule simili a quelle del cervello. Essendo un mini modello cresciuto in laboratorio, presenta vantaggi che altri metodi di ricerca sul cervello non hanno. Ad esempio, quando gli elettrodi sono collegati agli organoidi cerebrali, possono attivare la segnalazione tra i neuroni, imitando spontaneamente un cervello reale.

Quindi, gli organoidi cerebrali sono versioni in miniatura del cervello reale? Non è così e gli attuali organoidi cerebrali non corrispondono esattamente al cervello reale.

Innanzitutto, lo svantaggio più significativo degli organoidi cerebrali è che smettono di crescere dopo pochi millimetri perché non ci sono vasi sanguigni per fornire ossigeno e sostanze nutritive. A differenza dei tessuti biologici naturali, la crescita degli organoidi cerebrali dipende dalla soluzione nutritiva che penetra nella piastra di coltura. Dopo aver raggiunto una certa dimensione, quando i nutrienti sono insufficienti, la crescita si ferma e le cellule iniziano a morire dal centro. Già quando diventano qualcosa come Il vero cervello è morto tragicamente molto prima di ciò. Pertanto, vari team stanno cercando di trovare modi per far crescere i vasi sanguigni negli organoidi cerebrali, coltivare organoidi vascolarizzati e fonderli con organoidi cerebrali o aprire artificialmente canali negli organoidi cerebrali per consentire il versamento di una maggiore soluzione nutritiva in essi. Produrre sinapsi più mature[20]。

In secondo luogo, a differenza del cervello reale, gli organoidi cerebrali mancano di input sensoriali provenienti dall’ambiente circostante, che è una delle chiavi indispensabili per lo sviluppo dei circuiti cerebrali. Gli organoidi cerebrali non hanno occhi per vedere, orecchie per sentire, naso per identificare gli odori e bocca per gustare. Isolati in una capsula di Petri, gli organoidi cerebrali non sono in grado di codificare autonomamente esperienza e informazioni senza input sensoriali.[21]

Un articolo pubblicato sulla rivista Nature nel 2020 propone una visione relativamente moderata[22], affermando che i modelli di organoidi cerebrali attualmente ampiamente utilizzati non sono in grado di replicare le caratteristiche di base dello sviluppo e dell'organizzazione del cervello reale, per non parlare di simulare i complessi circuiti cerebrali richiesti per malattie cerebrali complesse e cognizione normale. I ricercatori hanno scoperto che una delle ragioni alla base di ciò è la "crisi d'identità" delle cellule organoidi: le cellule organoidi del cervello normalmente non possono differenziarsi in sottotipi cellulari unici e un "miscuglio" di vari geni può essere trovato in tipi di cellule completamente diversi, consentendo lo sviluppo la programmazione è gettata nel caos. Un altro motivo è che il metodo di coltura in laboratorio provoca lo “stress” delle cellule: tutti i modelli organoidi cerebrali esprimono livelli anormalmente elevati di geni di risposta allo stress cellulare, causando un comportamento cellulare anormale e la produzione di proteine ​​anormali, causando infine il fallimento del normale sviluppo delle cellule organoidi[23, 24]。

Il processo di sviluppo del cervello reale è come una sinfonia. Vari strumenti suonano contemporaneamente e cooperano tra loro sotto la coordinazione del direttore d'orchestra per eseguire un movimento complesso bello e armonioso. Affinché gli organoidi cerebrali raggiungano un tale livello di complessità, gli scienziati hanno appena fatto il primo passo.

Gli organoidi cerebrali daranno origine alla coscienza?

Anche se gli organoidi cerebrali sono ancora lontani dai cervelli reali, ciò non impedisce agli scienziati di pensare in anticipo a una domanda: i “cervelli nelle piastre di Petri” alla fine produrranno la coscienza?

Sulla base dell’attuale panorama della ricerca, la maggior parte degli scienziati che studiano gli organoidi cerebrali ritiene che gli organoidi cerebrali non svilupperanno e non potranno sviluppare forme di coscienza.

Lancaster, che fu il primo a coltivare gli organoidi cerebrali, ritiene che gli attuali organoidi cerebrali siano ancora troppo primitivi per produrre coscienza e manchino dell'anatomia necessaria per creare complessi schemi elettroencefalografici. Sebbene gli organoidi cerebrali “possano avere neuroni che comunicano tra loro in assenza di input e output, ciò non implica necessariamente qualcosa che assomigli allo stato della mente umana”.[25]Secondo Lancaster e la maggior parte dei ricercatori, è più probabile che il "rivivere" il cervello di maiale morto produca coscienza rispetto agli organoidi cerebrali.

Nel giugno di quest'anno, Kenneth Kosik, neuroscienziato dell'Università della California, Santa Barbara, ha pubblicato un articolo su Patterns（Modelli）Sulla rivista è stato pubblicato un articolo di opinione[26], ha proposto che la ricerca sugli organoidi cerebrali possa eventualmente creare coscienza in laboratorio, ma questa possibilità non esiste sulla base della tecnologia attuale o addirittura della tecnologia del prossimo futuro.

In primo luogo, come accennato in precedenza, sebbene i considerevoli difetti degli organoidi cerebrali suggeriscano che essi non soddisfino ancora alcuna definizione operativa di coscienza, ci sono ancora molti ostacoli che gli scienziati devono superare per superare questi difetti. È ancora troppo presto per dire se gli organoidi porteranno alla coscienza.

In secondo luogo, filosofi e scienziati esplorano la questione "cos'è la coscienza" da migliaia di anni. Esistono varie teorie e manca ancora una definizione universalmente riconosciuta. La scienza moderna classifica la coscienza nella categoria delle questioni scientifiche e la spiega dal punto di vista dei meccanismi neurali. Può essere divisa in quattro tipi di teorie: teorie di ordine superiore(CALDO), teoria dello spazio di lavoro neurale globale(GNWT), teoria dell'informazione integrata(Istituto Italiano di Tecnologia)e teorie del rientro e del precondizionamento. Queste teorie non solo esplorano la questione della coscienza attorno al cervello, ma sottolineano anche l'importanza dell'interazione tra il corpo del soggetto e l'ambiente, influenzando varie abilità richieste per la coscienza: rappresentazione, sensi, percezione, ecc. Una delle caratteristiche più evidenti degli organoidi cerebrali è che sono completamente separati dal corpo e non hanno una storia di esperienza fisica, sia nel movimento che nella percezione. Sebbene gli esperimenti abbiano dimostrato che l’attività di attivazione neurale negli organoidi cerebrali è simile al modo in cui il cervello codifica modelli legati all’esperienza, rimane un problema: una struttura che può codificare l’esperienza ma non ha una storia dell’esperienza.(organoidi cerebrali)Può sorgere la coscienza? Esisterebbe la coscienza senza contenuto?

Nel 2022, Kosik lo eraNautilusLunghi articoli pubblicati su riviste[27]È stato proposto che la ragione importante per cui gli organoidi cerebrali non hanno coscienza è che non possiedono la proprietà fondamentale: la capacità di astrarre astrazioni. La coscienza richiede un processo di astrazione basato sulle correlazioni tra le nostre impressioni del mondo sensoriale e il feedback motorio. Quando vediamo una mela rossa sul tavolo, si attiva il seguente processo: la luce riflessa dall'oggetto attiva i fotorecettori nella retina e invia un segnale al cervello, il segnale contiene ricche informazioni sul colore, le dimensioni e l'ambiente della mela oggetto. Dopo molti anni di esperienza nel mondo, sono stati generati gli schemi di scarico corrispondenti alle parole "rosso" e "mela", e alla fine "ci rendiamo conto" che c'è una mela rossa sul tavolo. L'attività neurale degli organoidi cerebrali non è correlata a nulla nella realtà.

Naturalmente ci sono anche scienziati che hanno opinioni positive, lo ha detto in un podcast su "Nature" Anil Seth, un neuroscienziato cognitivo dell'Università del Sussex nel Regno Unito.[28]Zhong ha affermato di non escludere la possibilità che gli organoidi cerebrali producano coscienza Poiché la complessità degli organoidi cerebrali e la loro somiglianza con il cervello umano continuano ad aumentare, è del tutto possibile per loro possedere coscienza anche se la loro struttura non è del tutto equivalente. all'esperienza del cervello umano.

Sebbene la maggior parte degli scienziati abbia una visione negativa, alcuni esperimenti interessanti suggeriscono che gli elementi fondamentali della coscienza potrebbero essere emersi gradualmente.

Nel laboratorio del neuroscienziato Alysson Muotri presso l'Università della California, a San Diego, centinaia di piastre di Petri contengono organoidi cerebrali delle dimensioni di semi di sesamo che galleggiano al loro interno. Usò vari metodi insoliti per manipolare gli organoidi cerebrali e uno dei suoi esperimenti attirò l'attenzione di molti. Nel 2019, il team di Moutri ha pubblicato un articolo su "Cell Stem Cells"[29]Riferisce la creazione di organoidi cerebrali che producono onde coordinate di attività, simili a quelle osservate nel cervello dei bambini prematuri. Questa attività elettrica coordinata a livello cerebrale è uno dei tratti distintivi della coscienza, quindi il team ritiene che gli organoidi cerebrali imitino essenzialmente le prime fasi dello sviluppo del cervello umano. Tuttavia, ci sono anche dei dubbi su questo risultato, soprattutto perché le onde cerebrali simili a quelle dei bambini prematuri non significano che gli organoidi cerebrali possano essere equiparati al cervello del bambino. Inoltre, le onde cerebrali dei bambini sono diverse da quelle degli adulti, mostrando spesso fluttuazioni molto disordinate e irregolari.

Un vassoio di organoidi cerebrali nel laboratorio di Muotri Credito: David Poller/Zuma Wire, tramite Alamy Live News

Nello stesso anno, Hideya Sakaguchi dell'Università di Kyoto (Hideya Sakaguchi)Il team riferisce sulla rivista Stem Cell Reports[30], hanno visualizzato con successo l'attività di rete e le connessioni tra i singoli neuroni negli sferoidi corticali. Il team ha rilevato cambiamenti dinamici nell'attività degli ioni calcio e ha scoperto un'attività integrata tra cellule che erano in grado di organizzarsi in cluster e formare reti con altri cluster vicini. Le manifestazioni di attività neurale sincronizzata possono essere alla base di una varietà di funzioni cerebrali correlate, inclusa la memoria. Un altro punto saliente dei risultati è che i neuroni cresciuti al di fuori del corpo si attivano spontaneamente, che è uno dei modi in cui i neuroni crescono e stabiliscono nuove connessioni nel cervello umano.

Questioni etiche inevitabili

La comunità accademica ha opinioni diverse sulla questione della coscienza, ma anche gli scienziati si rendono conto che è molto più semplice creare un sistema cosciente che definirlo. Di conseguenza, la ricerca sugli organoidi cerebrali sta evidenziando un punto cieco: gli scienziati non hanno un modo concordato per definire e misurare la coscienza.

Anche lo stesso Muotri ammette di non sapere quale definizione utilizzare per determinare se un organoide ha raggiunto uno stato cosciente. Pertanto, la questione se gli organoidi cerebrali possano produrre coscienza è diventata la preferenza teorica personale dei ricercatori scientifici, che influenzerà i metodi e gli scopi della ricerca personale.

Quindi, pianifica in anticipo. Anil Set ha proposto che, in assenza di un metodo chiaro per valutare lo stato di coscienza degli organoidi, si debba determinare preventivamente un quadro etico. Karen Rommelfanger, direttrice del Programma di Neuroetica presso la Emory University negli Stati Uniti, è d'accordo, affermando che le differenze tra la ricerca sugli organoidi del cervello e altri organoidi del corpo coinvolgono non solo aspetti biologici, ma anche aspetti etici. Andrea Lavazza dell'Università di Pavia in Italia ritiene che in futuro gli organoidi potrebbero dimostrare la capacità di provare sensazioni di base come il dolore, dimostrando così la percezione e persino forme basilari di coscienza. Ciò impone di considerare se agli organoidi cerebrali debba essere attribuito uno status etico e quali restrizioni dovrebbero essere introdotte per regolamentare la ricerca[31]。

Riferimenti

[1] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/jez.1400090305

[2] https://www.360zhyx.com/home-research-index-rid-74706.shtml

[3] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1365-2184.1987.tb01309.x

[4] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9780470513637.ch4

[5] https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1934590908001148

[6] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jor.1100090504

[7] https://www.science.org/doi/10.1126/science.284.5411.143

[8] https://www.science.org/doi/10.1126/science.282.5391.1145

[9] https://www.science.org/doi/10.1126/science.1151526

[10] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%AF%B1%E5%AF%BC%E6%80%A7%E5%A4%9A%E8%83%BD%E5%B9% B2%E7%BB%86%E8%83%9E

[11] https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/ten.2006.12.1627

[12] https://www.nature.com/articles/nature07935

[13] https://www.science.org/content/article/sciences-top-10-breakthroughs-2013

[14] https://m.thepaper.cn/baijiahao_20603927

[15] https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(08)00455-4?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1934590908004554 %3Fmostratutto%3Dvero

[16] https://www.nature.com/articles/nature12517

[17] https://www.cell.com/cms/10.1016/j.stem.2018.12.015/attachment/3c78ab81-5238-4756-ace6-4b73fa2292d6/mmc1.pdf

[18] https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31534-8?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867420315348%3Fshowall%3Dtrue

[19] https://www.nature.com/articles/s41392-022-01024-9#citeas

[20] http://www.news.cn/health/2023-02/03/c_1211724659.htm

[21] https://www.livescience.com/health/neuroscience/we-can-t-answer-these-questions-neuroscientist-kenneth-kosik-on-whether-lab-grown-brains-will-achieve-cosciente

[22] https://www.nature.com/articles/s41586-020-1962-0

[23] https://www.ucsf.edu/news/2020/01/416526/not-brains-dish-cerebral-organoids-flunk-comparison-developing-nervous-system

[24] https://theconversation.com/brain-organoids-help-neuroscientists-understand-brain-development-but-arent-perfect-matches-for-real-brains-130178#:~:text=Organoid%20cells% 20anche%20non,non%20riflesso%20ne%20%20organoidi.

[25] https://www.kepuchina.cn/more/202011/t20201117_2842435.shtml

[26] https://www.cell.com/patterns/fulltext/S2666-3899(24)00136-3#%20

[27] https://nautil.us/what-the-tiny-cluster-of-brain-cells-in-my-lab-are-telling-me-246650/

[28] https://www.nature.com/articles/d41586-020-03033-6#MO0

[29] https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(19)30337-6

[30] https://www.cell.com/stem-cell-reports/fulltext/S2213-6711(19)30197-3

[31] https://link.springer.com/article/10.1007/s40592-020-00116-y

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