Naukowcy stworzyli w laboratorium miniaturowe mózgi, które utworzyły skomplikowane sieci i wytworzyły fale mózgowe podobne do fal wystrzeliwanych przez rozwijający się mózg wcześniaka, według nowego badania.
Pomysł hodowania miniaturowych mózgów w laboratorium nie jest nowy; naukowcy robią to od prawie dekady. Jednak w większości badań wykorzystano te małe mózgi lub „organoidy” do badania struktury na dużą skalę.
Na przykład, jedna grupa opracowała mini mózgi, które mogłyby rozwijać naczynia krwionośne, jak donosi Live Science. Inna grupa wystawiła mini mózgi na wirusa Zika, aby zrozumieć, w jaki sposób może prowadzić do nienormalnie małych głów lub małogłowie.
Ale w takich warunkach, jak autyzm, schizofrenia, choroba afektywna dwubiegunowa, a nawet depresja „mózg jest nienaruszony, a problem zależy od działania sieci”, powiedział starszy autor badań Alysson Muotri, profesor nadzwyczajny na Wydziale Medycyny Komórkowej i Molekularnej i dyrektor programu komórek macierzystych na University of California, San Diego. Po raz pierwszy wyhodowane w laboratorium mózgi utworzyły skomplikowane sieci neuronów, które wytwarzały silne fale mózgowe.
Aby to zrobić, Muotri i jego zespół pobrali ludzkie komórki macierzyste - które mogą przekształcić się w dowolny typ komórek, pod warunkiem odpowiednich instrukcji - pochodzących ze skóry i krwi ludzi. Naukowcy wystawili te komórki macierzyste na instrukcje chemiczne, które zamieniłyby komórki w komórki mózgowe.
W przeważającej części komórki te tworzyły neuronalne komórki progenitorowe, komórki specyficzne dla mózgu, które mogą się namnażać i powodować powstawanie wielu rodzajów komórek mózgowych. Po dwóch do pięciu miesiącach na płytce laboratoryjnej te komórki progenitorowe tworzą neurony glutaminergiczne, komórki mózgowe „pobudzające” lub te, które propagują informacje.
Po około czterech miesiącach mini mózgi przestały wytwarzać neurony pobudzające i zaczęły wytwarzać astrocyty. Te komórki mózgowe pomagają kształtować synapsy, luki między komórkami mózgowymi, w których przekaźniki nerwowe lub substancje chemiczne w mózgu przekazują informacje. Wreszcie komórki progenitorowe zaczęły wytwarzać neurony hamujące, które hamują aktywność mózgu lub powstrzymują neurony przed przekazywaniem informacji. Wtedy „aktywność zaczyna się komplikować, ponieważ teraz równoważymy podniecenie i hamowanie” - powiedział Muotri.
Podczas gdy komórki dzieliły się i różnicowały, w końcu zaczęły „samoorganizować się w coś, co przypomina ludzką korę”, powiedział Muotri. Kora jest zewnętrzną warstwą mózgu, która odgrywa ważną rolę w świadomości.
„Mini mózgi” w rzeczywistości nie wyglądają jak miniaturowe wersje ludzkich mózgów. Są to raczej białe, kuliste plamy, które unoszą się w czerwonawej zupie, w której są hodowane, powiedział Muotri. Dorastał do średnicy zaledwie 0,2 cala (0,5 centymetra), ale ich sieci neuronowe ewoluowały przez dziewięć do 10 miesięcy przed zatrzymaniem.
Podczas wzrostu mini mózgów zespół używał zestawu małych elektrod, które łączą się z neuronami w celu pomiaru aktywności mózgu. Naukowcy odkryli, że około dwa miesiące neurony w mini-mózgach zaczęły emitować sporadyczne sygnały, wszystkie z tą samą częstotliwością. Muotri powiedział, że po kilku miesiącach rozwoju mózgi emitowały sygnały o różnych częstotliwościach i częściej, co wskazuje na bardziej złożoną aktywność mózgu.
Podczas gdy poprzednie badania wykazały, że małe, wyprodukowane w laboratorium mózgi mogą wytwarzać wystrzeliwanie komórek mózgowych, naukowcy poinformowali, że strzelają około 3000 razy na minutę, powiedział Muotri. Jednak w tym badaniu neurony strzelały blisko 300 000 razy na minutę, co jest „bliżej ludzkiego mózgu” - powiedział.
Zespół wykorzystał następnie algorytm uczenia maszynowego do porównania aktywności tych mini mózgów z aktywnością wcześniaków. Naukowcy wyszkolili swój program do nauki fal mózgowych zarejestrowanych od 39 wcześniaków w wieku od 6 do 9 i pół miesiąca.
Następnie naukowcy zasilili algorytm wzorce fal mózgowych z małych mózgów i odkryli, że po 25 tygodniach rozwoju małego mózgu nie był już w stanie odróżnić danych pochodzących z ludzkiego mózgu od danych pochodzących z mózgu wyhodowanego w laboratorium. „Staje się zdezorientowany i daje obu tym samym wieku”, co sugeruje, że mini mózgi i ludzkie mózgi rosły i rozwijały się podobnie, powiedział Muotri.
To badanie pokazuje „bardzo ładnie, że można stworzyć te powtarzalne systemy eksperymentalne, w których można zająć się procesami tak fundamentalnymi dla rozwoju człowieka”, powiedział dr Thomas Hartung, dyrektor Centrum Alternatywnych Testów na Zwierzętach Johnsa Hopkinsa który pracował również nad opracowaniem mini-mózgów w laboratorium, ale który nie był częścią badania.
„Niedostępność embrionalnego mózgu jest jednym z powodów, dla których modele te oferują coś innego” - powiedział. „Ale oznacza to również, że masz bardzo ograniczone możliwości, by powiedzieć, że to jest prawdziwe”. Dodał, że chociaż sygnały EEG są podobne do sygnałów wcześniaków, są one nieco opóźnione w czasie.
Podczas gdy ludzki zarodek jest połączony z matką i w ten sposób odbiera sygnały z zewnątrz, te wyhodowane w laboratorium mózgi nie są połączone z niczym. „Komórki te nie mają danych wejściowych lub wyjściowych, nie mogą rozpoznać niczego, co dzieje się na świecie” - powiedział Hartung. Więc są „zdecydowanie nie” przytomni.
Tak zgodzi się większość naukowców, ale „trudno powiedzieć”, powiedział Muotri. „My, neuronaukowcy, nawet nie zgadzamy się, jakie są pomiary, które można zrobić, aby zbadać, czy są świadomi, czy nie”.
Ludzki mózg wysyła sygnały, aby pomóc nam w interakcji z otoczeniem. Na przykład patrzymy na błąd, oczy wysyłają sygnały do komórek mózgowych, które sygnalizują się nawzajem i informują, że widzimy błąd.
Dlaczego więc te wyhodowane w laboratorium mózgi wysyłają sygnały? O czym mogliby rozmawiać? „Nie wiemy tego pytania, ponieważ embrionalny mózg to tak naprawdę czarna skrzynka” - powiedział Muotri. Wydaje się, że większość sygnałów na tych wczesnych etapach wymaga instrukcji „samookablowania” lub połączenia się ze sobą, powiedział.
W każdym razie, powiedział, że ma nadzieję, że takie badania pomogą nam zrozumieć, w jaki sposób wczesne okablowanie mózgu powoduje powstanie naszych złożonych mózgów i co się stanie, gdy okablowanie się nie powiedzie.
Muotri i jego zespół powiedzieli, że mają nadzieję na dalsze stymulowanie organoidów mózgowych, aby sprawdzić, czy mogą rozwinąć się dłużej niż dziewięć do 10 miesięcy. Naukowcy chcieliby również modelować zaburzenia mózgu, na przykład tworząc organoidy mózgowe z komórkami pobranymi od dzieci z autyzmem, aby zrozumieć, jak rozwijają się ich sieci mózgowe.
Odkrycia zostały opublikowane dzisiaj (29 sierpnia) w czasopiśmie Cell Stem Cell.
