Вчені створили мініатюрні мізки в лабораторії, які формували заплутані мережі та виробляли мозкові хвилі, схожі на ті, які вистрілювали мозок, що розвивається недоношеної дитини, згідно з новим дослідженням.
Ідея вирощування мініатюрних мізків у лабораторії не нова; дослідники роблять це вже майже десятиліття. Але більшість досліджень використовували ці міні-мізки або "органоїди" для вивчення масштабної структури.
Наприклад, одна група розробила міні-мізки, які могли б рости судини, повідомляє Live Science раніше. Ще одна група піддала міні-мізки вірусу Зіка, щоб зрозуміти, як це може призвести до аномально маленьких головок або мікроцефалії.
Але в таких умовах, як аутизм, шизофренія, біполярний розлад і навіть депресія, "мозок недоторканий і проблема покладається на операції в мережі", - сказав старший автор дослідження Alysson Muotri, доцент кафедри клітинної та молекулярної медицини та директор програми стволових клітин в Каліфорнійському університеті, Сан-Дієго. Це вперше мізки, вирощені в лабораторії, сформували складні мережі нейронів, які виробляли сильні мозкові хвилі.
Для цього Муотрі та його команда заготовляли людські стовбурові клітини - які можуть перетворюватися на будь-який тип клітин, даючи правильні вказівки - отримані з шкіри та крові людей. Дослідники викрили ці стовбурові клітини хімічним інструкціям, які перетворили б клітини на клітини мозку.
Здебільшого ці клітини утворюють нейронні клітини-попередники, специфічні для мозку клітини, які можуть проліферувати та породжувати багато типів клітин головного мозку. Через два-п’ять місяців у лабораторній посуді ці клітини-попередники утворюють глутаматергічні нейрони, клітини мозку, які є "збудливими", або ті, що поширюють інформацію.
Приблизно через чотири місяці міні-мізки перестали робити збудливі нейрони і почали робити астроцити. Ці клітини головного мозку допомагають формувати синапси, проміжки між клітинами мозку, де нейромедіатори або мозкові хімічні речовини передають інформацію. Нарешті, клітини-попередники почали виробляти гальмуючі нейрони, які вгамовують мозкову діяльність або зупиняють нейрони передавати інформацію. Тоді "діяльність починає ускладнюватися, тому що зараз ми врівноважуємо збудження та гальмування", - сказав Муотрі.
Поки клітини ділилися і диференціювалися, вони з часом почали «самоорганізовуватися в щось, що нагадує кору людини», - сказав Муотрі. Кора - це зовнішній шар мозку, який відіграє важливу роль у свідомості.
"Міні-мізки" насправді не схожі на мініатюрні версії людського мозку. Швидше, це білі кулясті плями, які плавають у червонуватому супі, в якому вони вирощені, сказав Муотрі. Вони виросли до діаметра всього 0,2 дюйма (0,5 сантиметра), але їх нервові мережі продовжували розвиватися протягом дев'яти-10 місяців до зупинки, сказав він.
Протягом росту міні-мозку команда використовувала набір крихітних електродів, які підключаються до нейронів для вимірювання мозкової активності. Дослідники виявили, що приблизно через два місяці нейрони в міні-мозку почали випромінювати спорадичні сигнали, і все з однаковою частотою. Після ще декількох місяців розвитку мозок запускав сигнали на різних частотах і регулярніше, що свідчить про більш складну мозкову діяльність, сказав Муотрі.
Поки попередні дослідження показали, що міні-лабораторії, що виробляються в лабораторії, можуть спричинити стрілянину в клітини головного мозку, але дослідники повідомили, що вони стріляють близько 3 000 разів на хвилину, сказав Муотрі. Однак у цьому дослідженні нейрони вистрілювали близько 300 000 разів на хвилину, що "ближче до людського мозку", - сказав він.
Потім команда використовувала алгоритм машинного навчання, щоб порівняти мозкову активність цих міні-мозків з активністю недоношених дітей. Дослідники підготували свою програму для вивчення мозкових хвиль, записаних у 39 недоношених дітей віком від 6 до 9 та півтора місяців.
Потім вчені подали схеми мозкових хвиль з міні-мізків в алгоритм і виявили, що після 25 тижнів розвитку міні-мозку він більше не може відрізнити дані, що надходять від людського мозку, від даних, що походять від мозку, вирощеного в лабораторії. "Він плутається і дає однаковий вік обом", що говорить про те, що міні-мозок і людський мозок росте і розвивається аналогічно, сказав Муотрі.
Це дослідження показує, "дуже добре, що ви можете зробити цю відтворювану експериментальну систему, де ви можете вирішити процеси, які є настільки основними для розвитку людини", - сказав доктор Томас Хартунг, директор Центру альтернативних випробувань на тваринах Джона Хопкінса. який також працював над розробкою міні-мізків у лабораторії, але хто не був учасником дослідження.
"Недоступність ембріонального мозку - одна з причин, чому ці моделі пропонують щось інше", - сказав він. "Але це також означає, що у вас є дуже обмежені можливості сказати це справжнє". Незважаючи на те, що сигнали ЕЕГ схожі на сигнали доношених дітей, вони трохи не вчасно, додав він.
У той час як людський ембріон підключений до матері і, таким чином, приймає сигнали ззовні, ці лабораторії, вирощені в лабораторії, не пов'язані ні з чим. "Ці осередки не мають жодного входу або жодного виходу, вони не можуть розпізнати нічого, що відбувається у світі", - сказав Гартунг. Тому вони "точно не свідомі".
З цим погодилася б більшість вчених, але "важко сказати", - сказав Муотрі. "Ми неврологи навіть не погоджуємось, які вимірювання можна зробити, щоб насправді дослідити, чи є вони свідомими чи ні".
Людський мозок посилає свої сигнали, щоб допомогти нам взаємодіяти з навколишнім середовищем. Наприклад, ми дивимося на помилку, очі посилають сигнали клітинам мозку, які сигналізують один одному і дають нам знати, що ми бачимо помилку.
Отже, чому ці мозолі, вирощені в лабораторії, посилають сигнали? Про що вони могли говорити? "Це питання, яке ми не знаємо, оскільки ембріональний мозок - це справді чорна скринька", - сказав Муотрі. Схоже, більшість сигналів на цих ранніх стадіях передбачають вказівки щодо "самопроводу" або підключення один до одного, сказав він.
У будь-якому випадку він сказав, що сподівається, що подібні дослідження допоможуть нам зрозуміти, як рання провідність мозку породжує наші складні мізки, і що відбувається, коли ця проводка зіпсується.
Муотрі та його команда сказали, що зараз сподіваються стимулювати органоїди мозку далі, щоб побачити, чи можуть вони розвиватися після дев'яти до 10 місяців. Дослідники також хотіли б моделювати розлади мозку, наприклад, створюючи органоїди мозку з клітинами, взятими у дітей з аутизмом, щоб зрозуміти, як розвиваються їх мозкові мережі.
Отримані результати були опубліковані сьогодні (29 серпня) у журналі Cell Stem Cell.
