مغزهای کوچک انسان پیوند زده شده به موش های آسیب دیده بینایی خود را بازیابی کردند

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

نزدیک به یک دهه پیش، مینی مغزها با یک وعده بزرگ وارد صحنه علوم اعصاب شدند: درک مغز در حال رشد و بازیابی مغزهای آسیب دیده.

این توده های کوچک بافت مغزی که به ارگانوئیدهای مغزی معروف هستند - تقریباً به اندازه یک عدس - هیچ شباهتی به اندام سه پوندی ندارند که زندگی ما را هدایت می کند. با این حال، در زیر سطح، آنها رفتاری ترسناک شبیه به مغز دارند یک جنین انسان. نورون های آنها با فعالیت الکتریکی جرقه می زنند. آنها به راحتی باو متعاقبا کنترل- ماهیچه ها، حداقل در یک ظرف. مشابه مغزهای تمام عیار، نورون های جدیدی به دنیا می آورند. برخی حتی ساختار شش لایه قشر انسان را توسعه می دهند - چروکیده و خارجی ترین لایه مغز که از فکر، استدلال، قضاوت، گفتار و ... پشتیبانی می کند. شاید حتی آگاهی.

با این حال، یک سوال حیاتی ذهن دانشمندان علوم اعصاب را به خود مشغول کرده است: آیا این تکه‌های فرانکشتاین از بافت مغز واقعاً می‌توانند مغز آسیب دیده را بازسازی کنند؟

A مطالعه منتشر شده در سلول بنیادی سلول این ماه به این نتیجه رسیدند که می توانند. با استفاده از ارگانوئیدهای مغزی ساخته شده از سلول های انسانی، تیمی به سرپرستی دکتر هان چیائو آیزاک چن در دانشگاه پنسیلوانیا این مینی مغزها را به موش های بالغ با آسیب قابل توجهی به قشر بینایی آنها پیوند زدند - ناحیه ای که بینایی را پشتیبانی می کند.

تنها در سه ماه، مینی مغزها با مغز موش ها ادغام شدند. هنگامی که تیم چراغ های چشمک زن را برای حیوانات تابید، ارگانوئیدها با فعالیت الکتریکی همراه شدند. به عبارت دیگر، مینی مغز انسان سیگنال هایی را از چشم موش ها دریافت می کرد.

این فقط نویز تصادفی نیست. مشابه قشر بینایی ما، برخی از نورون‌های مینی مغز به تدریج ترجیح می‌دهند که نور در یک جهت خاص بتابد. تصور کنید که به یک اسباب‌بازی بادکن سیاه و سفید نگاه می‌کنید، در حالی که چشمانتان با نوارهای متحرک مختلف سازگار می‌شوند. ساده به نظر می رسد، اما توانایی چشمان شما برای تنظیم - که "انتخاب جهت گیری" نامیده می شود - سطح پیچیده ای از پردازش بصری است که برای درک ما از جهان بسیار مهم است.

این مطالعه یکی از اولین مطالعاتی است که نشان می‌دهد بافت کوچک مغز می‌تواند با میزبان بزرگسال آسیب دیده یکپارچه شود و عملکرد مورد نظر خود را انجام دهد. در مقایسه با تلاش‌های قبلی برای پیوند سلول‌های بنیادی، بافت‌های مصنوعی می‌توانند در آینده جایگزین یک قطعه آسیب‌دیده یا تحلیل‌رفته از مغز شوند – اما احتیاط‌های زیادی باقی مانده است.

بافت های عصبی پتانسیل بازسازی نواحی آسیب دیده مغز را دارند. گفت: چن. ما همه چیز را درست نکرده‌ایم، اما این یک قدم اول بسیار محکم است.»

مینی زندگی یک مینی مغز

ارگانوئیدهای مغزی جهنمی را تجربه کرده اند. آنها برای اولین بار در سال 2014 مهندسی شدند و بلافاصله مورد توجه دانشمندان علوم اعصاب به عنوان یک مدل بی سابقه از مغز قرار گرفتند.

شبه مغزها از منابع متعدد برای تقلید از نواحی مختلف مغز ساخته شده اند. یکی از کاربردهای فوری ترکیب این فناوری با iPSC ها (سلول های بنیادی پرتوان القایی) برای مطالعه اختلالات رشد عصبی، مانند اسکیزوفرنی یا اوتیسم بود.

در اینجا، سلول‌های پوست بیمار دوباره به حالتی شبیه سلول‌های بنیادی تبدیل می‌شوند که می‌توان آن‌ها را به بافت سه‌بعدی مغز آن‌ها تبدیل کرد. از آنجایی که فرد و مینی مغز ژن‌های مشابهی دارند، می‌توان تا حدی مغز فرد را در طول رشد تکثیر کرد و به طور بالقوه درمان‌های جدیدی را جستجو کرد.

از زمان تولد، مینی مغزها اکنون از نظر اندازه، سن و پیچیدگی افزایش یافته اند. یک جهش عمده این بود تامین خون ثابت. مغز ما با رگ‌های خونی در هم تنیده است و نورون‌ها و شبکه‌های عصبی ما را با اکسیژن و مواد مغذی برای تامین انرژی تغذیه می‌کند. این پیشرفت در سال 2017 اتفاق افتاد، زمانی که چندین تیم نشان دادند که پیوند ارگانوئیدهای انسانی به مغز جوندگان باعث می‌شود رگ‌های خونی میزبان یکپارچه شوند و بافت ساختار یافته مغز را "تغذیه" کنند، و به آن اجازه داد تا به معماری پیچیده مغز در داخل میزبان توسعه یابد. مطالعات طوفان آتش به پا کرد بحث در این زمینه، با علمای اخلاق زیستی و محققان به طور یکسان در حال تعجب هستند که آیا ارگانوئیدهای انسانی می توانند ادراک یا رفتار جوندگان را تغییر دهند.

چن ایده متفاوت و البته چالش برانگیزتری داشت. اکثر مطالعات قبلی مغزهای کوچک را پیوند زدند به جوندگان شیرخوار برای پرورش ارگانوئیدها و سهولت ادغام آنها با مغز در حال رشد.

در مقابل، مغز بزرگسالان به مراتب بیشتر برآمدگی دارد. مدارهای عصبی بسیار در هم تنیده - از جمله سیگنال دهی و عملکرد آنها - قبلاً ایجاد شده اند. حتی در صورت آسیب دیدگی، زمانی که مغز آماده ترمیم است، استفاده از قطعات اضافی از پیوندهای ارگانوئید انسانی مانند یک چسب زخم می‌تواند از مدارهای عصبی شکسته پشتیبانی کند - یا با مدارهای ثابت تداخل کند.

مطالعه جدید چن این نظریه را مورد آزمایش قرار داد.

ادغام غیرمنتظره

برای شروع، این تیم ارگانوئیدهای مغز را با یک رده سلول های بنیادی انسانی تجدیدپذیر کشت کردند. با استفاده از یک دستور شیمیایی که قبلاً تأیید شده بود، سلول‌ها به مغزهای کوچکی تبدیل شدند که قسمت‌های جلویی قشر (در اطراف پیشانی) را تقلید می‌کنند.

در روز 80، این تیم لایه‌های قشر ابتدایی را در ارگانوئید مشاهده کردند، همراه با سلول‌هایی که به‌گونه‌ای سازمان‌دهی شده بودند که شبیه مغز در حال رشد بود. سپس آنها ارگانوئیدها را به قشر بینایی آسیب دیده موش های بالغ جوان پیوند زدند.

تنها یک ماه پس از پیوند، رگ‌های خونی میزبان با بافت انسان ادغام شد و اکسیژن و مواد مغذی مورد نیاز آن را تامین کرد و به آن اجازه رشد و بلوغ را داد. مغزهای کوچک تعداد بی‌شماری از سلول‌های مختلف مغزی را توسعه دادند که نه فقط نورون‌ها، بلکه از سلول‌های مغزی مانند آستروسیت‌ها و سلول‌های ایمنی تخصصی موسوم به میکروگلیا نیز «حمایت‌کننده» بودند. دو مورد اخیر دور از دسترس نیستند: آنها در پیری مغز، بیماری آلزایمر، التهاب و شناخت نقش دارند.

اما آیا مینی مغز انسان پیوند شده می تواند در داخل موش عمل کند؟

در اولین آزمایش، تیم از یک ردیاب محبوب برای ترسیم ارتباط بین ارگانوئید و چشم حیوان استفاده کرد. شبیه به رنگ، ردیاب ویروسی است که بین اتصالات عصبی - که سیناپس نامیده می شود - حرکت می کند در حالی که حامل پروتئینی است که زیر میکروسکوپ فلورسنت به رنگ سبز روشن می درخشد. مانند یک مسیر برجسته در Google Maps، جریان نور به وضوح تمام مسیر را به مینی مغز پیوندی متصل می کند، به این معنی که مدار آن از طریق سیناپس های متعدد به چشم موش ها متصل می شود.

سوال دوم: آیا بافت پیوند شده می تواند به "دیدن" موش کمک کند؟ در شش حیوان از هشت حیوان، روشن یا خاموش کردن چراغ‌ها باعث واکنش الکتریکی می‌شود که نشان می‌دهد نورون‌های انسان به تحریک بیرونی پاسخ می‌دهند. نویسندگان گفتند که الگوی فعالیت الکتریکی شبیه به فعالیت‌های طبیعی است که در قشر بینایی دیده می‌شود، «این نشان می‌دهد که نورون‌های ارگانوئید پتانسیل قابل مقایسه‌ای برای پاسخ‌دهی به نور به نورون قشر بینایی دارند».

در آزمایشی دیگر، پیوندها نورون‌های «گزینه‌ای» را توسعه دادند که یک جهت‌گیری خاص را برای نور ترجیح می‌دادند - یک ویژگی عجیب و غریب در توانایی ما برای درک جهان. هنگامی که با توری های نوری مختلف که از سیاه به سفید سوسو می زدند، آزمایش شد، ترجیح کلی نورون های پیوندی شبیه نورون های عادی و سالم بود.

ما دیدیم که تعداد زیادی از نورون‌های درون ارگانوئید به جهت‌گیری‌های خاصی از نور پاسخ می‌دهند، که به ما شواهدی می‌دهد که نشان می‌دهد این نورون‌های ارگانوئید نه تنها با سیستم بینایی ادغام می‌شوند، بلکه می‌توانند عملکردهای بسیار خاصی از بینایی را نیز انجام دهند. قشر، گفت: چن.

Plug-and-Play بافت مغز؟

این مطالعه نشان می‌دهد که مینی‌مغزها می‌توانند به سرعت شبکه‌های عصبی را با مغز میزبان ایجاد کنند، با سرعتی بسیار سریع‌تر از پیوند سلول‌های بنیادی منفرد. استفاده قدرتمند از این فناوری را پیشنهاد می کند: ترمیم مغزهای آسیب دیده با سرعتی بی سابقه.

سوالات زیادی باقی می ماند. برای یکی، این مطالعه بر روی موش‌هایی انجام شد که از داروهای سرکوب‌کننده ایمنی برای مهار رد شدن استفاده می‌کردند. امید برای مینی مغزها این است که از سلول های خود بیمار کشت شوند و نیاز به داروهای سرکوب کننده سیستم ایمنی را از بین ببرند - امیدی که هنوز به طور کامل آزمایش نشده است. مشکل دیگر این است که چگونه می توان "سن" مینی مغز را با سن میزبان خود به بهترین نحو تطبیق داد تا سیگنال های عصبی ذاتی فرد مختل نشود.

گام بعدی این تیم حمایت از سایر مناطق آسیب دیده مغز با استفاده از مینی مغزها، به ویژه آسیب های ناشی از انحطاط ناشی از سن یا بیماری است. افزودن فناوری‌های غیرتهاجمی، مانند تعدیل عصبی یا «بازسازی» بصری نورون‌ها، می‌تواند به ادغام پیوند در مدار میزبان کمک کند و به طور بالقوه عملکرد آنها را افزایش دهد.

اکنون، ما می‌خواهیم بفهمیم که چگونه می‌توان از ارگانوئیدها در سایر نواحی قشر مغز استفاده کرد، نه فقط قشر بینایی، و می‌خواهیم قوانینی را که راهنمایی می‌کنند چگونه نورون‌های ارگانوئیدی با مغز ادغام می‌شوند را درک کنیم تا بتوانیم آن فرآیند را بهتر کنترل کنیم و چن گفت، آن را سریعتر انجام دهید.

تصویر های اعتباری: جگامادزه و همکاران