Human Mini-Brains Grafted Into Injured Rats Restored Their Sight

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Ligi kümmekond aastat tagasi tulid miniajud neuroteaduste stseenile kopsaka lubadusega: mõista arenevat aju ja taastada vigastatud aju.

Aju organoididena tuntud pisikesed ajukoe tükid – umbes läätse suurused – ei näe midagi välja nagu kolmekilone organ, mis juhib meie elu. Kuid pinna all käituvad nad kohutavalt sarnaselt ajuga inimese loode. Nende neuronid süttivad elektrilise aktiivsusega. Nad integreeruvad hõlpsalt -ja seejärel kontrolli-lihased, vähemalt tassis. Sarnaselt täispuhutud ajudele sünnitavad nad uusi neuroneid. Mõned arendavad välja isegi inimese ajukoore kuuekihilise struktuuri – aju kortsulise välimise kihi, mis toetab mõtlemist, arutluskäiku, hinnanguid, kõnet ja võib-olla isegi teadvus.

Ometi kummitab neuroteadlasi kriitiline küsimus: kas need Frankensteini ajukoetükid suudavad vigastatud aju tegelikult taastada?

A õppima avaldatakse Raku tüvirakk sel kuul jõudsid järeldusele, et nad saavad. Pennsylvania ülikooli dr Han-Chiao Isaac Cheni juhitud töörühm siirdas inimrakkudest valmistatud ajuorganoide kasutades miniajud täiskasvanud rottidele, kelle nägemiskoores – nägemist toetavas piirkonnas – oli oluliselt kahjustatud.

Vaid kolme kuuga ühinesid miniajud rottide ajudega. Kui meeskond valgustas loomadele vilkuvaid tulesid, suurenesid organoidid elektrilise aktiivsusega. Teisisõnu sai inimese miniaju signaale rottide silmadest.

See pole lihtsalt juhuslik müra. Sarnaselt meie visuaalse ajukoorega hakkasid mõned miniaju neuronid järk-järgult eelistama valgust, mis paistaks konkreetses orientatsioonis. Kujutage ette, et vaatate musta ja valget tuuleveski mänguasja, kui teie silmad kohanevad erinevate liikuvate triipudega. See kõlab lihtsalt, kuid teie silmade kohanemisvõime – mida nimetatakse "orientatsioonivalikuks" - on visuaalse töötlemise keerukas tase, mis on meie maailma tajumise seisukohalt ülioluline.

Uuring on üks esimesi, mis näitab, et miniajukude saab integreeruda vigastatud täiskasvanud peremeesorganismiga ja täita oma ettenähtud funktsiooni. Võrreldes eelmiste tüvirakkude siirdamise katsetega võivad tehiskuded tulevikus asendada vigastatud või degenereeruva ajutüki, kuid palju hoiatusi jääb alles.

"Närvikoed võivad vigastatud aju piirkondi taastada," ütles Chen. "Me ei ole kõike välja töötanud, kuid see on väga kindel esimene samm."

Mini-Braini minielu

Ajuorganoididel on olnud kuradima sõit. Esmakordselt 2014. aastal välja töötatud need tekitasid kohe neuroteadlaste huvi enneolematu ajumudelina.

Kvaasiajud on valmistatud mitmest allikast, et jäljendada erinevaid ajupiirkondi. Üheks vahetuks kasutuseks oli tehnoloogia kombineerimine iPSC-dega (indutseeritud pluripotentsed tüvirakud), et uurida neuroarenguhäireid, nagu skisofreenia või autism.

Siin muudetakse patsiendi naharakud tagasi tüvirakulaadsesse olekusse, mida saab edasi kasvatada tema aju 3D-koeks. Kuna inimesel ja miniajul on samad geenid, on võimalik inimese aju arengu ajal osaliselt dubleerida ja potentsiaalselt leida uusi raviviise.

Alates nende sünnist on miniajud nüüd laienenud oma suuruse, vanuse ja keerukuse poolest. Üks suur hüpe oli a pidev verevarustus. Meie aju on tihedalt läbi põimunud veresoontega, toites meie neuroneid ja närvivõrke hapniku ja toitainetega, et varustada energiat. Läbimurre toimus 2017. aastal, kui mitmed meeskonnad näitasid, et inimorganoidide siirdamine näriliste ajudesse käivitas peremeesorganismi veresooned, et integreerida ja "toita" struktureeritud ajukoe, võimaldades sellel edasi areneda peremeesorganismi sees olevaks keerukaks ajuarhitektuuriks. Uuringud tekitas tuletormi valdkonna sees arutelu, kus nii bioeetikud kui ka teadlased mõtlevad, kas inimorganoidid võivad muuta näriliste taju või käitumist.

Chenil oli teistsugune, kuigi väljakutsuvam idee. Enamikus varasemates uuringutes siirdati miniaju väikenärilisteks kasvatada organoide ja hõlbustada nende ühinemist areneva ajuga.

Täiskasvanute ajud on seevastu palju rihmikumad. Tugevalt põimunud närviahelad, sealhulgas nende signaalimine ja funktsioonid, on juba loodud. Isegi vigastuse korral, kui aju on parandamiseks valmis, võib inimese organoidtransplantaatide, näiteks Band-Aid'i, lisamine toetada katkenud närviahelaid või häirida väljakujunenud ahelaid.

Cheni uus uuring pani teooria proovile.

Ootamatu ühinemine

Alustuseks kasvatas meeskond taastuva inimese tüvirakuliiniga ajuorganoide. Kasutades eelnevalt kinnitatud keemilist retsepti, kanti rakud miniajudeks, mis jäljendavad ajukoore esiosa (otsmiku ümber).

80. päevaks nägi meeskond organoidis algelisi kortikaalseid kihte koos areneva ajuga sarnaselt organiseeritud rakkudega. Seejärel siirdasid nad organoidid noorte täiskasvanud rottide kahjustatud visuaalsesse ajukooresse.

Vaid üks kuu pärast siirdamist ühinesid peremehe veresooned inimkoega, varustades seda väga vajaliku hapniku ja toitainetega ning võimaldades tal edasi kasvada ja küpseda. Miniajud arendasid välja hulgaliselt erinevaid ajurakke - mitte ainult neuroneid, vaid ka "toetavaid" ajurakke, nagu astrotsüüdid ja spetsiaalsed immuunrakud, mida nimetatakse mikrogliaks. Viimased kaks pole kaugeltki asendamatud: need on seotud aju vananemise, Alzheimeri tõve, põletike ja tunnetusega.

Kuid kas siirdatud inimese miniaju võib roti sees toimida?

Esimeses katses kasutas meeskond populaarset märgist, et kaardistada seoseid organoidi ja looma silma vahel. Sarnaselt värvainega on märgistusviirus, mis hüppab närviühenduste – sünapsideks – vahel, kandes samal ajal valku, mis helendab fluorestsentsmikroskoobi all erkroheliselt. Nagu Google Mapsis esiletõstetud marsruut, ühendas valgusvoog selgelt siirdatud miniajuga, mis tähendab, et selle vooluring oli mitme sünapsi kaudu ühendatud rottide silmadega.

Teine küsimus: kas siirdatud kude võib aidata rotil "näha"? Kuuel kaheksast loomast käivitas tulede sisse- või väljalülitamine elektrilise reaktsiooni, mis viitab sellele, et inimese neuronid reageerisid välisele stimulatsioonile. Autorid ütlesid, et elektrilise aktiivsuse muster sarnanes visuaalses ajukoores nähtuga loomulikele, mis viitab sellele, et organoidsetel neuronitel on võrreldav valgustundlikkus visuaalse ajukoore neuroniga.

Teises katses arendasid siirikud välja valivad neuronid, mis eelistasid valguse suhtes spetsiifilist orientatsiooni selektiivsust – see on meie võimesse maailma tajuda. Kui testiti erinevate valgusrestidega, mis värelesid mustast valgeni, jäljendas poogitud neuronite üldine eelistus normaalsete tervete neuronite oma.

"Nägime, et suur hulk organoidi sees olevaid neuroneid reageeris valguse spetsiifilistele orientatsioonidele, mis annab meile tõendeid selle kohta, et need organoidsed neuronid ei suutnud mitte ainult visuaalse süsteemiga integreeruda, vaid nad suutsid omaks võtta väga spetsiifilisi visuaalseid funktsioone. ajukoor," ütles Chen.

Plug-and-Play ajukude?

Uuring näitab, et miniajud suudavad kiiresti luua närvivõrke peremeesorganismi ajuga, palju kiiremini kui üksikute tüvirakkude siirdamine. See viitab tehnoloogia võimsale kasutusviisile: kahjustatud ajude parandamine enneolematu kiirusega.

Palju küsimusi jääb. Ühe jaoks viidi uuring läbi rottidel, kellele manustati äratõukereaktsiooni pärssimiseks immunosupressante. Väikeajude lootus seisneb selles, et neid kasvatatakse patsiendi enda rakkudest, välistades vajaduse immunosupressantide järele – see lootus on veel täielikult testimata. Teine probleem on see, kuidas kõige paremini sobitada miniaju "vanus" peremehe omaga, et mitte häirida inimese sisemisi närvisignaale.

Meeskonna järgmine samm on toetada miniajude abil teisi kahjustatud ajupiirkondi, eriti vanusest või haigusest tingitud degeneratsioonist tingitud kahjustusi. Mitteinvasiivsete tehnoloogiate lisamine, nagu neuronite neuromodulatsioon või visuaalne "rehabilitatsioon", võib veelgi aidata siirdamisel integreeruda peremeesorganismi ahelasse ja potentsiaalselt tõsta nende funktsiooni.

"Nüüd tahame mõista, kuidas organoide saaks kasutada ajukoore muudes piirkondades, mitte ainult visuaalses ajukoores, ja me tahame mõista reegleid, mis juhivad organoidsete neuronite integreerumist ajuga, et saaksime seda protsessi paremini kontrollida ja et see juhtuks kiiremini,” ütles Chen.

Image Credit: Jgamadze jt.