Naukowcy zaobserwowali aktywność u wyhodowanych w laboratorium z komórek macierzystych malutkich mózgów. Co ciekawe, zaobserwowane wzorce aktywności wyglądają zaskakująco podobnie do aktywności ludzkiego mózgu, a konkretnie mózgu wcześniaków.
Malutkie mózgi hodowane w laboratorium to tzw. organoidy. Są to trójwymiarowe, miniaturowe, uproszczone wersje organów, które zachowują kluczowe cechy anatomiczne prawdziwych narządów. W laboratoriach powstają organoidy nie tylko mózgów, ale też chociażby nerek, wątroby czy siatkówki oka. Są hodowane do celów badawczych. Uczeni w ten sposób uzyskują miniaturowy, żywy model narządu, na którym mogą testować różne koncepcje i rozwiązania.
Zakładano, że organoidy mózgów nie będą w stanie odtworzyć skomplikowanych połączeń obserwowanych w prawdziwych mózgach. - Sądziliśmy, że ludzki mózg potrzebuje pewnego wkładu pochodzącego od innych narządów, aby dobrze się rozwijać – powiedział Alysson Muotri z University of California w San Diego. A jednak, po dziesięciu miesiącach tkanka mózgowa wyhodowana w laboratorium zaczęła wykazywać aktywność.
Badania ukazały się na łamach pisma „Cell Stem Cell” i mogą pomóc naukowcom lepiej zrozumieć rozwój ludzkiego mózgu.
Mózgi wielkości ziarna grochu pochodzą z ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych, czyli takich, z których może powstać każda inna komórka organizmu. Umieszczone w warunkach naśladujących środowisko rozwoju mózgu, komórki macierzyste różnicują się w różne typy komórek mózgowych i samoorganizują się w trójwymiarową strukturę przypominającą rozwijający się ludzki mózg.
Naukowcom udało się wyhodować organoidy o strukturach komórkowych podobnych do ludzkich mózgów. Jednak żaden z poprzednich modeli nie wykazał funkcjonalnych sieci neuronowych podobnych do normalnie rozwiniętego mózgu. Sieci te pojawiają się, gdy neurony są dojrzałe i są niezbędne do większości czynności mózgu.
- Organoidy mózgu można używać do wielu rzeczy, w tym do lepszego zrozumienia normalnego rozwoju neurologicznego człowieka, modelowania różnych chorób, poszerzenia wiedzy o ewolucji mózgu, badań przesiewowych leków, a nawet do uczenia sztucznej inteligencji – powiedział Muotri.
W miarę rozwoju badań Muotri i jego współpracownicy opracowali lepszą procedurę hodowli organoidów. Te optymalizacje pozwoliły ich organoidom stać się bardziej dojrzałymi od poprzednich modeli. W ten sposób wyhodowano setki minimózgów. W trakcie rozwoju monitorowano ich aktywność neuronalną. Po kilku miesiącach zespół badaczy zaczął rejestrować fale mózgowe pochodzące z organoidów.
Początkowo sygnały rejestrowane przez encefalograf były rzadkie, ale w miarę rozwoju minimózgów pojawiały się częściej i były coraz bardziej złożone. - Obserwowany przez nas poziom aktywności neuronalnej jest bezprecedensowy. Jesteśmy o krok od opracowania modelu pokazującego wczesne etapy zaawansowanej sieci neuronowej – podkreślił Muotri.
Analiza aktywność wykazała, że nie przypomina ona zorganizowanej, przewidywalnej aktywności mózgu osoby dorosłej. Wykazała jednak podobieństwo do aktywności innego rodzaju. Rejestrowane fale mózgowe zaczęły przypominać te, który są wytwarzane przez mózgi wcześniaków. - Jest to wynik posiadania bardziej funkcjonalnych synaps. Tworzy się więcej połączeń między neuronami – wyjaśnił Muotri i dodał, że interakcje między neuronami przyczyniają się do sygnałów o różnych częstotliwościach.
Aby porównać wzorce fal mózgowych organoidów z ludzkimi mózgami na wczesnym etapie rozwoju, zespół zapoznał algorytm uczenia maszynowego z falami mózgowymi zarejestrowanymi u 39 wcześniaków w wieku od sześciu do dziewięciu i pół miesiąca. Mimo że wzorce zarejestrowane u organoidów nie były dokładnie takie same, jak u wcześniaków, to algorytm miał problemy z ich rozróżnieniem. Był w stanie zidentyfikować wiele cech wspólnych oraz oszacować, na jakim etapie rozwoju są minimózgi, co sugeruje, że organoidy i ludzki mózg mają podobną trajektorię wzrostu.
Badania prowadzone przez zespół Muotriego mogą budzić niepokój i podnosić problemy natury etycznej. Jednak jest mało prawdopodobne, że organoidy wyhodowane w laboratorium mają aktywność umysłową, którą można by nazwać świadomością. - Organoid to jest nadal bardzo podstawowy model, nie ma wielu struktur. Więc te fale mózgowe mogą nie mieć nic wspólnego z czynnościami w prawdziwych mózgach. Możliwe, że w przyszłości otrzymamy coś, co będzie naprawdę bliskie sygnałom w ludzkich mózgach, które kontrolują zachowania, myśli lub pamięć. Ale nie sądzę, aby obecnie rejestrowane sygnały wskazywały na którykolwiek z nich – wyjaśnił Muotri.
W dalszych badaniach zespół naukowców będzie starał się nadal udoskonalać proces rozwoju organoidów. Badania na małych, ale wiernych modelach, mogą znacznie poszerzyć wiedzę na temat różnorakich chorób i zaburzeń rozwoju mózgu, jak autyzm, epilepsja czy schizofrenia.
Źródło: Cell Press/Phys.org, fot. Muotri Lab/UCTV
