Впервые зарегистрирована мозговая активность в мини-мозге, выращенном из стволовых клеток
Ученые вырастили из стволовых клеток миниатюрный мозг, способный создавать функционирующие нейронные сети. Несмотря на то, что органоид, полученный в лаборатории, в миллион раз меньше человеческого мозга, в нём впервые зарегистрированы мозговые волны, которые напоминают таковые у недоношенных детей.
Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Cell Stem Cell, может помочь ученым лучше понять развитие человеческого мозга.
«Уровень нейронной активности, который мы наблюдаем, является беспрецедентным для лабораторных условий», — говорит Алиссон Муотри (Alysson Muotri), биолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Мы на один шаг приблизились к созданию модели, способной воспроизводить сложные нейронные сети ранних стадий развития».
Мозг размером с горошину, называемый церебральным органоидом, получен из плюрипотентных стволовых клеток человека. В культуре, которая имитирует среду развития головного мозга, стволовые клетки дифференцируются в различные типы нейронов и самоорганизуются в трехмерную структуру, напоминающую развивающийся человеческий мозг.
В предыдущих исследованиях ученым уже удавалось успешно вырастить органоиды, подобные по клеточному строению головному мозгу человека. Тем не менее, ни одна из предыдущих моделей не генерировала функциональные нейронные сети, которые могут быть построены лишь из зрелых нейронов, способных создавать межклеточные связи. Это необходимое условие для большинства видов деятельности мозга.
«Церебральные органоиды можно использовать для нескольких целей, в том числе для понимания нормального развития нервной системы человека, моделирования заболеваний или развития мозга, скрининга лекарств и даже для обучения искусственного интеллекта», — говорит Муотри.
Муотри и его коллеги разработали оптимальную методику для выращивания стволовых клеток, включая оптимизацию состава культуральной среды. Эти корректировки позволили органоидам созреть в большей мере, чем предыдущие модели. Команда выращивала сотни органоидов в течение 10 месяцев и использовала многоэлектродные матрицы для мониторинга их нейронной активности.
Учёные обнаружили первые вспышки мозговой активности органоидов примерно через два месяца. Сигналы были редкими и имели одинаковую частоту, характерную для самой ранней стадии развития мозга человека. Поскольку органоиды продолжали расти, они генерировали мозговые волны на разных частотах, и сигналы появлялись более регулярно, что демонстрирует дальнейшее развитие нейронных сетей органоидов.
«Это говорит о наличии более функциональных синапсов и формировании большего количества связей между нейронами», — отметил Муотри. Взаимодействия между нейронами вносят вклад в сигналы на разных частотах, добавляет он.
Чтобы сравнить паттерны мозговых волн органоидов с таковыми в человеческом мозге на ранних этапах развития, команда разработала алгоритм машинного обучения с записанными мозговыми волнами 39 недоношенных детей в возрасте от шести до девяти с половиной месяцев. Алгоритм был способен предсказать, сколько недель органоидам требуется для развития в культуре, что предполагает, что эти органоиды и мозг человека имеют сходную траекторию роста.
«Однако маловероятно наличие у данных органоидов умственных способностей, таких как сознание», — сказал Муотри. «Органоиды все еще являются очень элементарной моделью – в них отсутствуют другие отделы и структуры мозга. Поэтому эти мозговые волны могут не иметь никакого отношения к деятельности в реальном мозге».
«Возможно, в будущем мы сможем получить сигналы, близкие к сигналам человеческого мозга, которые управляют поведением, мыслями или памятью», — говорит Муотри. «Но я не думаю, что у нас есть какие-либо доказательства того, что в настоящее время мы получили что-либо похожее на них».
Заглядывая вперед, команда планирует дальнейшее совершенствование органоидов и использование их для изучения заболеваний, таких как аутизм, эпилепсия и шизофрения, связанных с нарушением функционирования нейронной сети.
«Как ученый, я хочу более детально исследовать человеческий мозг», — говорит Муотри. «Я намерен сделать это, поскольку это принесёт пользу. Я смогу помочь людям с неврологическими заболеваниями, предоставив им лучшее лечение и лучшее качество жизни. Но мы сами должны решить, где находится грань. Возможно, технология еще не готова, или мы пока не знаем, как ей управлять. Подобная дискуссия возникла вокруг использования технологии CRISPR у детей. Поэтому у нас существуют этические комитеты, которые представляют все слои общества».
