Znanstveniki so v laboratoriju ustvarili miniaturne možgane, ki so oblikovali zapletene mreže in ustvarili možganske valove, podobne tistim, ki jih sprožijo možgani v razvoju nedonošenškega človeškega otroka, je pokazala nova študija.
Ideja o gojenju miniaturnih možganov v laboratoriju ni nova; raziskovalci to počnejo že skoraj desetletje. Toda večina raziskav je te mini možgane ali "organoide" uporabila za preučevanje obsežne strukture.
Na primer, ena skupina je razvila mini možgane, ki bi lahko razvili krvne žile, je prej poročal Live Science. Druga skupina je mini možgane razkrila virusu Zika, da bi razumela, kako lahko vodi do nenormalno majhnih glav ali mikrocefalije.
Toda v pogojih, kot so avtizem, shizofrenija, bipolarna motnja in celo depresija, "so možgani nepoškodovani in težava se zanaša na delovanje omrežja," je dejal višji avtor študije Alysson Muotri, izredni profesor na oddelku za celično in molekularno medicino in direktor programa matičnih celic na kalifornijski univerzi v San Diegu. To je prvič, ko so laboratorijsko gojeni možgani oblikovali zapletene mreže nevronov, ki so ustvarile močne možganske valove.
Da bi to naredili, so Muotri in njegova ekipa pospravili človeške matične celice - ki se lahko ob pravilnih navodilih pretvorijo v katero koli vrsto celic - pridobljene iz kože in krvi ljudi. Raziskovalci so tem matičnim celicam izpostavili kemična navodila, ki bi celice spremenila v možganske celice.
Večinoma so te celice tvorile nevronske potomčne celice, možgansko specifične celice, ki se lahko razmnožijo in povzročijo številne vrste možganskih celic. Po dveh do petih mesecih v laboratorijski posodi te potomče celice tvorijo glutamatergične nevrone, možganske celice, ki so "vzbujajoče", ali tiste, ki razmnožujejo informacije.
Po približno štirih mesecih so mini možgani nehali ustvarjati vznemirljive nevrone in začeli izdelovati astrocite. Te možganske celice pomagajo oblikovati sinapse, vrzeli med možganskimi celicami, kjer nevrotransmiterji ali možganske kemikalije prenašajo informacije. Končno so progenitorne celice začele proizvajati zaviralne nevrone, ki ugašajo možgansko aktivnost ali ustavijo nevronom prehajanje informacij. Takrat "začne dejavnost postati bolj zapletena, ker zdaj uravnovešamo vzbujanje in inhibicijo", je dejal Muotri.
Medtem ko so se celice delile in razlikovale, so se sčasoma začele "samoorganizirati v nekaj, kar spominja na človeško skorjo", je dejal Muotri. Korteks je zunanja plast možganov, ki igra pomembno vlogo pri zavesti.
"Mini možgani" pravzaprav ne izgledajo kot miniaturne različice človeških možganov. Muotri je dejal, da so to beli, sferični mehurčki, ki plavajo v rdečkasto juho, v kateri rastejo. Zrastili so v premer le 0,2 centimetra, vendar so se njihove nevronske mreže še naprej razvijale devet do 10 mesecev, preden so se ustavile, je dejal.
Skozi rast mini možganov je ekipa uporabila nabor drobnih elektrod, ki se povezujejo z nevroni za merjenje možganske aktivnosti. Raziskovalci so ugotovili, da so približno v dveh mesecih nevroni v mini možganih začeli spuščati sporadične signale, vsi z isto frekvenco. Po nekaj mesecih razvoja so možgani oddajali signale na različnih frekvencah in bolj redno, kar kaže na bolj zapleteno možgansko aktivnost, je dejal Muotri.
Medtem ko so prejšnje raziskave pokazale, da bi lahko mini, laboratorijsko proizvedeni možgani povzročili odstranjevanje možganskih celic, so raziskovalci poročali, da streljajo okrog 3 000 krat na minuto, je dejal Muotri. V tej študiji pa so nevroni streljali blizu 300.000 krat na minuto, kar je "bližje človeškim možganom," je dejal.
Ekipa je nato uporabila algoritem strojnega učenja, da je primerjala možgansko aktivnost teh mini možganov z aktivnostjo nedonošenčkov. Raziskovalci so usposobili svoj program za učenje možganskih valov, posnetih od 39 nedonošenčkov, starih od 6 do 9 mesecev in pol.
Znanstveniki so nato napajali vzorce možganskih valov iz mini možganov v algoritem in ugotovili, da po 25 tednih mini razvoja možganov ne more več ločevati podatkov, ki prihajajo iz človeških možganov, od podatkov, ki izhajajo iz laboratorij gojenih možganov. "Zmede se in daje obema isto starost," kar kaže na to, da sta mini in človeški možgani rasla in se razvijala podobno, je dejal Muotri.
Ta študija kaže, "zelo lepo je, da lahko naredite te obnovljive eksperimentalne sisteme, kjer se lahko lotite procesov, ki so tako temeljni za razvoj človeka", je dejal dr Thomas Hartung, direktor Johns Hopkins Centra za alternative testiranju na živalih. ki je delal tudi na razvoju mini možganov v laboratoriju, vendar ni bil del študije.
"Nedostopnost zarodnih možganov je eden od razlogov, da ti modeli ponujajo nekaj drugačnega," je dejal. "To pa pomeni tudi, da imate zelo omejene možnosti, da bi to povedali resnično." Medtem ko so signali EEG podobni signalom pri nedonošenčkih, je čas nekoliko zmanjšan, je dodal.
Medtem ko je človeški zarodek povezan z materjo in tako sprejema signale od zunaj, ti možgani, ki rastejo v laboratoriju, niso povezani z ničemer. "Te celice nimajo nobenega vnosa ali izhoda, ne morejo prepoznati ničesar na svetu," je dejal Hartung. Tako da "zagotovo niso" zavestni.
S tem bi se strinjala večina znanstvenikov, vendar je "težko reči," je dejal Muotri. "Mi nevroznanstveniki se sploh ne strinjamo, kakšne so meritve, ki jih lahko človek dejansko opravi, da ugotovi, ali se zaveda ali ne."
Človeški možgani pošiljajo svoje signale, da nam pomagajo pri interakciji z našim okoljem. Na primer gledamo hrošča, oči pošiljajo signale možganskim celicam, ki signalizirajo drug drugemu in nam dajo vedeti, da vidimo hrošča.
Torej, zakaj ti laboratorijski odrasli možgani pošiljajo signale? O čem bi se sploh lahko pogovarjali? "To je vprašanje, ki ga ne poznamo, saj so možgani embriona res črna skrinjica," je dejal Muotri. Zdi se, da večina signalov v teh zgodnjih fazah vključuje navodila za "samo-žico" ali povezovanje med seboj, je dejal.
Vsekakor je dejal, da upa, da bodo takšne študije pomagale razumeti, kako zgodnje možgansko ožičenje povzroči naše zapletene možgane in kaj se zgodi, ko se to ožičenje pokvari.
Muotri in njegova ekipa sta povedala, da zdaj upajo, da bodo možganske organoide še bolj spodbudili, da bodo videli, ali se lahko razvijejo po devetih do desetih mesecih. Raziskovalci bi radi modelirali tudi možganske motnje, na primer z ustvarjanjem možganskih organoidov s celicami, odvzetih otrokom z avtizmom, da bi razumeli, kako se razvijajo njihove možganske mreže.
Ugotovitve so bile objavljene danes (29. avgusta) v reviji Cell Stem Cell.
