Согласно новому исследованию, ученые создали миниатюрные мозги в лаборатории, которые образовывали сложные сети и создавали мозговые волны, подобные тем, которые запускаются развивающимся мозгом недоношенного ребенка.
Идея выращивания миниатюрных мозгов в лаборатории не нова; Исследователи занимались этим почти десять лет. Но большинство исследований использовали эти мини-мозги или «органоиды» для изучения крупномасштабной структуры.
Например, одна из групп ученых разработала мини-мозг, способный расти кровеносными сосудами. Другая группа подвергла мини-мозг вирусу Зика, чтобы понять, как это может привести к ненормально маленьким головам или микроцефалии.
Но в таких условиях, как аутизм, шизофрения, биполярное расстройство и даже депрессия, «мозг не поврежден, и проблема зависит от работы сети», - сказал старший автор исследования Алиссон Муотри, доцент кафедры клеточной и молекулярной медицины и директор программы стволовых клеток в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Это первый раз, когда выращенный в лаборатории мозг сформировал сложные сети нейронов, которые производили сильные мозговые волны.
Чтобы сделать это, Муотри и его команда собрали человеческие стволовые клетки, которые при правильных инструкциях могут трансформироваться в клетки любого типа, полученные из кожи и крови людей. Исследователи подвергли эти стволовые клетки химическим инструкциям, которые превратили бы клетки в клетки мозга.
По большей части эти клетки образовали нервные клетки-предшественники, специфичные для мозга клетки, которые могут размножаться и давать начало множеству типов клеток мозга. После двух-пяти месяцев в лабораторном блюде эти клетки-предшественники образуют глутаматергические нейроны, «возбуждающие» клетки мозга или те, которые распространяют информацию.
Примерно через четыре месяца мини-мозг прекратил делать возбуждающие нейроны и начал делать астроциты. Эти клетки мозга помогают формировать синапсы, промежутки между клетками мозга, где нейротрансмиттеры или химические вещества мозга передают информацию. Наконец, клетки-предшественники начали создавать ингибирующие нейроны, которые подавляют активность мозга или мешают нейронам передавать информацию. Именно тогда «активность начинает усложняться, потому что теперь мы уравновешиваем возбуждение и торможение», - сказал Муотри.
В то время как клетки делились и дифференцировались, они в конечном итоге начали «самоорганизовываться в нечто, напоминающее кору человека», - сказал Муотри. Кора является внешним слоем мозга, который играет важную роль в сознании.
«Мини-мозги» на самом деле не похожи на миниатюрные версии человеческого мозга. Скорее, это белые сферические шарики, которые плавают в красноватом супе, в котором они выросли, сказал Муотри. Он вырос до 0,2 дюйма (0,5 сантиметра) в диаметре, но их нейронные сети продолжали развиваться в течение девяти-десяти месяцев до остановки, сказал он.
На протяжении всего развития мини-мозга команда использовала набор крошечных электродов, которые подключаются к нейронам для измерения мозговой активности. Исследователи обнаружили, что примерно через два месяца нейроны в мини-мозге начали излучать спорадические сигналы, все с той же частотой. По словам Муотри, после еще нескольких месяцев развития мозг генерировал сигналы на разных частотах и более регулярно, что указывает на более сложную деятельность мозга.
В то время как предыдущие исследования показали, что миниатюрный мозг, созданный в лаборатории, может вызывать срабатывание клеток головного мозга, исследователи сообщили, что они производят примерно 3000 раз в минуту, сказал Муотри. В этом исследовании, однако, нейроны срабатывают около 300 000 раз в минуту, что «ближе к человеческому мозгу», сказал он.
Затем команда использовала алгоритм машинного обучения, чтобы сравнить мозговую активность этих мини-мозгов с таковой у недоношенных детей. Исследователи подготовили свою программу для изучения мозговых волн, зарегистрированных у 39 недоношенных детей в возрасте от 6 до 9 с половиной месяцев.
Затем ученые включили в алгоритм алгоритмы мозговых волн из мини-мозга и обнаружили, что после 25 недель мини-развития мозга он уже не может отличить данные, поступающие от человеческого мозга, от данных, полученных из выращенного в лаборатории мозга. «Это сбивает с толку и дает им обоим одинаковый возраст», что говорит о том, что мини-мозг и мозг человека росли и развивались одинаково, сказал Муотри.
Это исследование показывает, что «очень хорошо, что вы можете создать эти воспроизводимые экспериментальные системы, в которых вы сможете решать процессы, которые так важны для развития человека», - сказал д-р Томас Хартунг, директор Центра Джона Хопкинса по альтернативам тестированию на животных. который также работал над созданием мини-мозгов в лаборатории, но не участвовал в исследовании.
«Недоступность эмбрионального мозга является одной из причин, почему эти модели предлагают что-то другое», - сказал он. «Но это также означает, что у вас очень ограниченные возможности сказать, что это реально». Хотя сигналы ЭЭГ похожи на сигналы у недоношенных детей, они немного отличаются по времени, добавил он.
В то время как человеческий эмбрион связан с матерью и, таким образом, получает сигналы извне, этот выращенный в лаборатории мозг не связан ни с чем. «Эти клетки не имеют ввода или вывода, они не могут распознать что-либо происходящее в мире», - сказал Хартунг. Таким образом, они «определенно не» сознательны.
С этим согласится большинство ученых, но «сложно сказать», сказал Муотри. «Мы, нейробиологи, даже не согласны с тем, какие измерения можно предпринять, чтобы на самом деле проверить, в сознании они или нет».
Человеческий мозг посылает свои сигналы, чтобы помочь нам взаимодействовать с окружающей средой. Например, мы смотрим на ошибку, глаза посылают сигналы клеткам мозга, которые сигнализируют друг другу и сообщают нам, что мы видим ошибку.
Итак, почему эти выращенные в лаборатории мозги посылают сигналы? О чем они могли говорить? «Это вопрос, который мы не знаем, потому что эмбриональный мозг - это действительно черный ящик», - сказал Муотри. Похоже, что большинство сигналов на этих ранних стадиях содержат инструкции для «самостоятельного подключения» или соединения друг с другом, сказал он.
В любом случае он сказал, что надеется, что подобные исследования помогут нам понять, как ранняя проводка мозга порождает наш сложный мозг и что происходит, когда эта проводка идет не так, как надо.
Муотри и его команда сказали, что теперь они надеются стимулировать органоиды мозга, чтобы увидеть, могут ли они развиваться после девяти-десяти месяцев. Исследователи также хотели бы смоделировать нарушения головного мозга, например, путем создания органоидов мозга с клетками, взятыми у детей с аутизмом, чтобы понять, как развиваются их мозговые сети.
Результаты были опубликованы сегодня (29 августа) в журнале Cell Stem Cell.
