Human Mini-Brains Grafted Into Injured Rats Restored Their Sight

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लगभग एक दशक पहले, मिनी-दिमाग ने भारी वादे के साथ न्यूरोसाइंस दृश्य पर गोली मार दी: विकासशील मस्तिष्क को समझना और घायल मस्तिष्क को बहाल करना।

मस्तिष्क के अंगों के रूप में जाना जाता है, मस्तिष्क के ऊतकों के ये छोटे-छोटे गुच्छे-मोटे तौर पर दाल के आकार के होते हैं- हमारे जीवन को संचालित करने वाले तीन पाउंड के अंग जैसा कुछ नहीं है। फिर भी सतह के नीचे, वे के मस्तिष्क के समान अजीब व्यवहार करते हैं एक मानव भ्रूण. उनके न्यूरॉन्स विद्युत गतिविधि से चमकते हैं। वे आसानी से एकीकृत करते हैं-और बाद में नियंत्रित करें—मांसपेशियां, कम से कम एक डिश में। पूर्ण विकसित दिमाग के समान, वे नए न्यूरॉन्स को जन्म देते हैं। कुछ मानव प्रांतस्था की छह-स्तरित संरचना भी विकसित करते हैं - मस्तिष्क की झुर्रीदार, सबसे बाहरी परत जो विचार, तर्क, निर्णय, भाषण और शायद चेतना भी.

फिर भी एक महत्वपूर्ण सवाल न्यूरोसाइंटिस्टों को परेशान करता है: क्या मस्तिष्क के ऊतकों के ये फ्रेंकस्टीन बिट्स वास्तव में एक घायल मस्तिष्क को बहाल कर सकते हैं?

A अध्ययन में प्रकाशित सेल स्टेम सेल इस महीने ने निष्कर्ष निकाला कि वे कर सकते हैं। मानव कोशिकाओं से बने मस्तिष्क के अंगों का उपयोग करते हुए, पेन्सिलवेनिया विश्वविद्यालय में डॉ. हान-चियाओ इसाक चेन के नेतृत्व में एक टीम ने मिनी-दिमाग को वयस्क चूहों में प्रत्यारोपित किया, जो उनके दृश्य प्रांतस्था को काफी नुकसान पहुंचाते हैं-वह क्षेत्र जो दृष्टि का समर्थन करता है।

केवल तीन महीनों में, मिनी-दिमाग चूहों के दिमाग के साथ विलीन हो गया। जब टीम ने जानवरों के लिए चमकती रोशनी चमकाई, तो ऑर्गेनॉइड विद्युत गतिविधि के साथ नुकीला हो गया। दूसरे शब्दों में, मानव मिनी-मस्तिष्क को चूहों की आंखों से संकेत मिले।

यह सिर्फ बेतरतीब शोर नहीं है। हमारे विज़ुअल कॉर्टेक्स के समान, मिनी-ब्रेन के कुछ न्यूरॉन्स ने धीरे-धीरे एक विशेष अभिविन्यास पर प्रकाश चमकने की प्राथमिकता विकसित की। एक काले और सफेद विंडमिल ब्लो टॉय को देखने की कल्पना करें क्योंकि आपकी आंखें अलग-अलग चलती धारियों में समायोजित होती हैं। यह सरल लगता है, लेकिन समायोजित करने के लिए आपकी आंखों की क्षमता - जिसे "अभिविन्यास चयन" कहा जाता है - दृश्य प्रसंस्करण का एक परिष्कृत स्तर है जो कि हम दुनिया को कैसे देखते हैं, इसके लिए महत्वपूर्ण है।

अध्ययन यह दिखाने वाला पहला अध्ययन है कि मिनी-ब्रेन ऊतक घायल वयस्क मेजबान के साथ एकीकृत हो सकता है और अपना इच्छित कार्य कर सकता है। स्टेम सेल प्रत्यारोपण के पिछले प्रयासों की तुलना में, कृत्रिम ऊतक भविष्य में मस्तिष्क के एक घायल या पतित टुकड़े को स्थानापन्न कर सकते हैं - लेकिन कई चेतावनियां बनी रहती हैं।

"तंत्रिका ऊतकों में घायल मस्तिष्क के क्षेत्रों के पुनर्निर्माण की क्षमता है," कहा चेन। "हमने सब कुछ ठीक नहीं किया है, लेकिन यह एक बहुत ही ठोस पहला कदम है।"

एक मिनी-ब्रेन का मिनी-लाइफ

ब्रेन ऑर्गेनॉइड्स ने शानदार सवारी की है। पहली बार 2014 में इंजीनियर, उन्होंने तुरंत मस्तिष्क के एक अभूतपूर्व मॉडल के रूप में न्यूरोसाइंटिस्टों की रुचि पर कब्जा कर लिया।

मस्तिष्क के विभिन्न क्षेत्रों की नकल करने के लिए अर्ध-दिमाग कई स्रोतों से बने होते हैं। एक तात्कालिक उपयोग, सिज़ोफ्रेनिया या ऑटिज्म जैसे न्यूरोडेवलपमेंटल विकारों का अध्ययन करने के लिए IPSCs (प्रेरित प्लुरिपोटेंट स्टेम सेल) के साथ प्रौद्योगिकी को संयोजित करना था।

यहां, एक मरीज की त्वचा कोशिकाएं वापस स्टेम-सेल जैसी स्थिति में बदल जाती हैं, जिसे आगे चलकर उनके मस्तिष्क के 3डी ऊतक में विकसित किया जा सकता है। क्योंकि व्यक्ति और मिनी-मस्तिष्क समान जीन साझा करते हैं, विकास के दौरान व्यक्ति के मस्तिष्क को आंशिक रूप से डुप्लिकेट करना संभव है - और संभावित रूप से नए इलाज का शिकार करें।

उनके जन्म के बाद से, मिनी-दिमाग का अब आकार, आयु और परिष्कार में विस्तार हुआ है। एक बड़ी छलांग थी लगातार रक्त की आपूर्ति. हमारे दिमाग रक्त वाहिकाओं के साथ घनिष्ठ रूप से जुड़े हुए हैं, ऊर्जा की आपूर्ति के लिए ऑक्सीजन और पोषक तत्वों के साथ हमारे न्यूरॉन्स और तंत्रिका नेटवर्क को खिलाते हैं। सफलता 2017 में मिली, जब कई टीमों ने दिखाया कि चूहों के दिमाग में मानव अंगों को प्रत्यारोपित करने से मेजबान की रक्त वाहिकाओं को संरचित मस्तिष्क के ऊतकों को एकीकृत करने और "फ़ीड" करने के लिए ट्रिगर किया गया, जिससे यह मेजबान के अंदर जटिल मस्तिष्क वास्तुकला में और विकसित हो सके। अध्ययन आग का तूफान खड़ा कर दिया बायोएथिसिस्ट और शोधकर्ता समान रूप से सोच रहे थे कि क्या मानव अंग एक कृंतक की धारणा या व्यवहार को बदल सकते हैं।

अधिक चुनौतीपूर्ण विचार होने पर चेन का एक अलग विचार था। अधिकांश पिछले अध्ययनों ने मिनी-दिमाग का प्रत्यारोपण किया शिशु कृन्तकों में ऑर्गेनोइड्स का पोषण करने और विकासशील मस्तिष्क के साथ उनके विलय को आसान बनाने के लिए।

वयस्क दिमाग, इसके विपरीत, कहीं अधिक चोटीदार होते हैं। अत्यधिक आपस में जुड़े न्यूरल सर्किट - उनके सिग्नलिंग और कार्यों सहित - पहले से ही स्थापित हैं। घायल होने पर भी, जब मस्तिष्क मरम्मत के लिए तैयार होता है, बैंड-एड जैसे मानव ऑर्गेनॉइड ग्राफ्ट के अतिरिक्त बिट्स में धक्का देने से टूटे तंत्रिका सर्किट का समर्थन हो सकता है या स्थापित लोगों में हस्तक्षेप हो सकता है।

चेन के नए अध्ययन ने सिद्धांत को परीक्षण में डाल दिया।

एक अप्रत्याशित विलय

शुरू करने के लिए, टीम ने नवीकरणीय मानव स्टेम सेल लाइन के साथ ब्रेन ऑर्गेनॉइड की खेती की। पहले से मान्य रासायनिक नुस्खे का उपयोग करते हुए, कोशिकाओं को मिनी-दिमाग में समेटा गया था जो कॉर्टेक्स के ललाट भागों (माथे के आसपास) की नकल करते हैं।

80 दिन तक, टीम ने ऑर्गेनॉइड में प्रारंभिक कॉर्टिकल परतों को देखा, साथ ही कोशिकाओं को एक विकासशील मस्तिष्क जैसा व्यवस्थित किया। फिर उन्होंने युवा वयस्क चूहों के क्षतिग्रस्त दृश्य प्रांतस्था में ऑर्गेनोइड्स को प्रत्यारोपित किया।

प्रत्यारोपण के ठीक एक महीने बाद, मेजबान की रक्त वाहिकाएं मानव ऊतक के साथ विलीन हो गईं, इसे बहुत आवश्यक ऑक्सीजन और पोषक तत्वों की आपूर्ति की और इसे आगे बढ़ने और परिपक्व होने की अनुमति दी। मिनी-दिमाग ने विभिन्न मस्तिष्क कोशिकाओं के असंख्य विकसित किए-न केवल न्यूरॉन्स, बल्कि एस्ट्रोसाइट्स और विशेष प्रतिरक्षा कोशिकाओं जैसे "समर्थन" मस्तिष्क कोशिकाओं को माइक्रोग्लिया करार दिया। बाद के दो डिस्पेंसेबल से बहुत दूर हैं: उन्हें मस्तिष्क की उम्र बढ़ने, अल्जाइमर रोग, सूजन और अनुभूति में फंसाया गया है।

लेकिन क्या प्रतिरोपित मानव मिनी-मस्तिष्क चूहे के अंदर कार्य कर सकता है?

पहले परीक्षण में, टीम ने ऑर्गेनॉइड और जानवर की आंख के बीच के कनेक्शन को मैप करने के लिए एक लोकप्रिय अनुरेखक का इस्तेमाल किया। एक डाई के समान, ट्रेसर एक वायरस है जो न्यूरल कनेक्शन-डब किए गए सिनैप्स के बीच हॉप करता है-एक प्रोटीन ले जाने के दौरान जो एक फ्लोरोसेंट माइक्रोस्कोप के नीचे एक चमकीले हरे रंग में चमकता है। Google मानचित्र पर हाइलाइट किए गए मार्ग की तरह, प्रकाश की धारा स्पष्ट रूप से प्रत्यारोपित मिनी-मस्तिष्क से जुड़ी हुई है, जिसका अर्थ है कि इसकी सर्किटरी कई सिनैप्स के माध्यम से चूहों की आंखों से जुड़ी हुई है।

दूसरा प्रश्न: क्या प्रतिरोपित ऊतक चूहे को "देखने" में मदद कर सकता है? आठ में से छह जानवरों में, रोशनी को चालू या बंद करने से एक विद्युत प्रतिक्रिया शुरू हो जाती है, जिससे पता चलता है कि मानव न्यूरॉन्स बाहरी उत्तेजना का जवाब देते हैं। लेखकों ने कहा कि इलेक्ट्रिकल गतिविधि का पैटर्न विज़ुअल कॉर्टेक्स में देखे गए प्राकृतिक लोगों जैसा दिखता है, "यह सुझाव देते हुए कि ऑर्गेनॉइड न्यूरॉन्स में दृश्य कॉर्टेक्स न्यूरॉन के लिए प्रकाश प्रतिक्रिया के लिए एक तुलनीय क्षमता है।"

एक अन्य परीक्षण में, ग्राफ्ट्स ने "पिकी" न्यूरॉन्स विकसित किए जो प्रकाश के लिए एक विशिष्ट अभिविन्यास चयनात्मकता को प्राथमिकता देते थे - दुनिया को देखने की हमारी क्षमता के अंदर एक विचित्रता। जब अलग-अलग प्रकाश झंझरी के साथ परीक्षण किया गया जो काले से सफेद तक टिमटिमाता था, तो ग्राफ्टेड न्यूरॉन्स की समग्र वरीयता सामान्य, स्वस्थ न्यूरॉन्स की नकल करती थी।

"हमने देखा कि ऑर्गेनॉइड के भीतर न्यूरॉन्स की एक अच्छी संख्या ने प्रकाश के विशिष्ट झुकावों का जवाब दिया, जो हमें सबूत देता है कि ये ऑर्गेनॉइड न्यूरॉन्स न केवल दृश्य प्रणाली के साथ एकीकृत करने में सक्षम थे, बल्कि वे दृश्य के बहुत विशिष्ट कार्यों को अपनाने में सक्षम थे। कोर्टेक्स," चेन ने कहा।

प्लग-एंड-प्ले ब्रेन टिश्यू?

अध्ययन से पता चलता है कि मिनी-दिमाग तेजी से मेजबान के मस्तिष्क के साथ तंत्रिका नेटवर्क स्थापित कर सकता है, व्यक्तिगत स्टेम कोशिकाओं को ट्रांसप्लांट करने की तुलना में कहीं अधिक तेज गति से। यह प्रौद्योगिकी के लिए एक शक्तिशाली उपयोग का सुझाव देता है: अभूतपूर्व गति से क्षतिग्रस्त मस्तिष्क की मरम्मत करना।

कई सवाल बाकी हैं। एक के लिए, अस्वीकृति को रोकने के लिए प्रतिरक्षादमनकारियों के साथ लगाए गए चूहों में अध्ययन किया गया था। मिनी-दिमाग की आशा यह है कि वे एक मरीज की अपनी कोशिकाओं से सुसंस्कृत होंगे, प्रतिरक्षादमनकारी दवाओं की आवश्यकता को समाप्त कर देंगे - एक आशा अभी पूरी तरह से परीक्षण की जानी है। एक और समस्या यह है कि मिनी-मस्तिष्क की "उम्र" को अपने मेजबान के साथ सबसे अच्छा मिलान कैसे किया जाए, ताकि व्यक्ति के आंतरिक तंत्रिका संकेतों को बाधित न किया जा सके।

टीम का अगला कदम मिनी-दिमाग का उपयोग करके अन्य क्षतिग्रस्त मस्तिष्क क्षेत्रों का समर्थन करना है, विशेष रूप से उम्र या बीमारी से अपघटन के कारण क्षति। गैर-इनवेसिव तकनीकों को जोड़ना, जैसे कि न्यूरोमॉड्यूलेशन या न्यूरॉन्स के दृश्य "पुनर्वास", मेजबान के सर्किट में प्रत्यारोपण को एकीकृत करने में मदद कर सकता है और संभावित रूप से उनके कार्य को बढ़ा सकता है।

"अब, हम यह समझना चाहते हैं कि कॉर्टेक्स के अन्य क्षेत्रों में ऑर्गेनॉइड का उपयोग कैसे किया जा सकता है, न केवल दृश्य प्रांतस्था, और हम उन नियमों को समझना चाहते हैं जो मार्गदर्शन करते हैं कि ऑर्गेनॉइड न्यूरॉन्स मस्तिष्क के साथ कैसे एकीकृत होते हैं ताकि हम उस प्रक्रिया को बेहतर ढंग से नियंत्रित कर सकें और इसे और तेज़ करें," चेन ने कहा।

छवि क्रेडिट: जगमद्ज़े एट अल।