Otak Mini Manusia yang Dicangkokkan ke Tikus yang Terluka Memulihkan Penglihatannya

Diterbitkan Ulang Oleh Plato

Followers: 0

Hampir satu dekade yang lalu, otak mini melesat ke kancah ilmu saraf dengan janji besar: memahami otak yang sedang berkembang dan memulihkan otak yang cedera.

Dikenal sebagai organoid otak, gumpalan kecil jaringan otak ini—kira-kira seukuran lentil—tidak terlihat seperti organ seberat tiga pon yang mengemudikan hidup kita. Namun di bawah permukaan, mereka berperilaku sangat mirip dengan otak manusia janin manusia. Neuron mereka memicu aktivitas listrik. Mereka mudah berintegrasi dengan—dan kontrol selanjutnya—otot, setidaknya di piring. Mirip dengan otak besar, mereka melahirkan neuron baru. Beberapa bahkan mengembangkan struktur enam lapis korteks manusia—lapisan otak terluar yang keriput yang mendukung pemikiran, penalaran, penilaian, ucapan, dan bahkan mungkin kesadaran.

Namun pertanyaan kritis menghantui ahli saraf: dapatkah jaringan otak Frankenstein ini benar-benar memulihkan otak yang terluka?

A belajar diterbitkan dalam Cell Stem Cell bulan ini menyimpulkan bahwa mereka bisa. Dengan menggunakan organoid otak yang terbuat dari sel manusia, tim yang dipimpin oleh Dr. Han-Chiao Isaac Chen di University of Pennsylvania mentransplantasikan otak mini ke tikus dewasa dengan kerusakan substansial pada korteks visualnya—area yang mendukung penglihatan.

Hanya dalam tiga bulan, otak mini bergabung dengan otak tikus. Saat tim menyorotkan lampu kilat untuk hewan, organoid itu melonjak dengan aktivitas listrik. Dengan kata lain, otak mini manusia menerima sinyal dari mata tikus.

Ini bukan hanya kebisingan acak. Mirip dengan korteks visual kita, beberapa neuron otak mini secara bertahap mengembangkan preferensi terhadap cahaya yang bersinar pada orientasi tertentu. Bayangkan melihat mainan tiup kincir angin hitam dan putih saat mata Anda menyesuaikan diri dengan garis-garis bergerak yang berbeda. Kedengarannya sederhana, tetapi kemampuan mata Anda untuk menyesuaikan—dijuluki "pemilihan orientasi"—merupakan tingkat pemrosesan visual canggih yang sangat penting untuk cara kita memandang dunia.

Studi ini adalah salah satu yang pertama menunjukkan bahwa jaringan otak mini dapat berintegrasi dengan inang dewasa yang terluka dan melakukan fungsi yang dimaksudkan. Dibandingkan dengan upaya transplantasi sel punca sebelumnya, jaringan buatan dapat menggantikan bagian otak yang cedera atau mengalami degenerasi di masa mendatang—tetapi masih banyak peringatan.

“Jaringan saraf memiliki potensi untuk membangun kembali area otak yang cedera,” tersebut Chen. “Kami belum menyelesaikan semuanya, tetapi ini adalah langkah pertama yang sangat solid.”

Kehidupan Mini Otak Mini

Organoid otak mengalami kesulitan. Pertama kali direkayasa pada tahun 2014, mereka langsung menarik perhatian ahli saraf sebagai model otak yang belum pernah ada sebelumnya.

Otak semu dibuat dari berbagai sumber untuk meniru area otak yang berbeda. Salah satu penggunaan langsungnya adalah menggabungkan teknologi dengan iPSC (sel punca pluripoten terinduksi) untuk mempelajari gangguan perkembangan saraf, seperti skizofrenia atau autisme.

Di sini, sel-sel kulit pasien diubah kembali menjadi keadaan seperti sel punca, yang selanjutnya dapat ditumbuhkan menjadi jaringan 3D otak mereka. Karena orang dan otak mini berbagi gen yang sama, mungkin untuk menduplikasi sebagian otak orang tersebut selama perkembangan—dan berpotensi memburu obat baru.

Sejak lahir, otak mini kini telah berkembang dalam ukuran, usia, dan kecanggihan. Satu lompatan besar adalah a pasokan darah yang konsisten. Otak kita terjalin erat dengan pembuluh darah, memberi makan neuron dan jaringan saraf kita dengan oksigen dan nutrisi untuk memasok energi. Terobosan datang pada tahun 2017, ketika beberapa tim menunjukkan bahwa transplantasi organoid manusia ke otak hewan pengerat memicu pembuluh darah inang untuk mengintegrasikan dan "memberi makan" jaringan otak terstruktur, yang memungkinkannya berkembang lebih jauh menjadi arsitektur otak yang rumit di dalam inang. Studi memicu badai api diskusi dalam lapangan, dengan ahli bioetika dan peneliti sama-sama bertanya-tanya apakah organoid manusia dapat mengubah persepsi atau perilaku hewan pengerat.

Chen punya ide yang berbeda, meski lebih menantang. Sebagian besar penelitian sebelumnya mentransplantasikan otak mini menjadi bayi tikus untuk memelihara organoid dan memudahkan penggabungannya dengan otak yang sedang berkembang.

Sebaliknya, otak orang dewasa jauh lebih bergerigi. Sirkuit saraf yang sangat terjalin — termasuk pensinyalan dan fungsinya — sudah terbentuk. Bahkan ketika terluka, ketika otak siap untuk diperbaiki, memasukkan sedikit cangkok organoid manusia seperti Band-Aid dapat mendukung sirkuit saraf yang rusak — atau mengganggu sirkuit yang sudah mapan.

Studi baru Chen menguji teori tersebut.

Penggabungan yang Tak Terduga

Sebagai permulaan, tim membudidayakan organoid otak dengan garis sel punca manusia terbarukan. Menggunakan resep kimia yang telah divalidasi sebelumnya, sel-sel tersebut dibujuk menjadi otak mini yang meniru bagian depan korteks (di sekitar dahi).

Pada hari ke 80, tim melihat lapisan kortikal yang belum sempurna di organoid, bersama dengan sel-sel yang diatur sedemikian rupa sehingga menyerupai otak yang sedang berkembang. Mereka kemudian mentransplantasikan organoid ke dalam korteks visual tikus dewasa muda yang rusak.

Hanya satu bulan setelah transplantasi, pembuluh darah inang bergabung dengan jaringan manusia, memasok oksigen dan nutrisi yang sangat dibutuhkan dan memungkinkannya untuk tumbuh dan matang lebih lanjut. Otak mini mengembangkan segudang sel otak yang berbeda—tidak hanya neuron, tetapi juga sel otak "pendukung" seperti astrosit dan sel kekebalan khusus yang disebut mikroglia. Dua yang terakhir jauh dari dapat diabaikan: mereka terlibat dalam penuaan otak, penyakit Alzheimer, peradangan, dan kognisi.

Tapi bisakah otak mini manusia yang ditransplantasikan berfungsi di dalam tikus?

Dalam tes pertama, tim menggunakan pelacak populer untuk memetakan hubungan antara organoid dan mata hewan. Mirip dengan pewarna, pelacaknya adalah virus yang melompat di antara koneksi saraf — disebut sinapsis — sambil membawa protein yang bersinar hijau terang di bawah mikroskop fluoresen. Seperti rute yang disorot di Google Maps, aliran cahaya dengan jelas terhubung sampai ke otak mini yang ditransplantasikan, artinya sirkuitnya terhubung, melalui banyak sinapsis, ke mata tikus.

Pertanyaan kedua: dapatkah jaringan yang ditransplantasikan membantu tikus “melihat”? Pada enam dari delapan hewan, menyalakan atau mematikan lampu memicu respons listrik, menunjukkan bahwa neuron manusia merespons rangsangan dari luar. Pola aktivitas listrik menyerupai yang alami yang terlihat di korteks visual, "menunjukkan bahwa neuron organoid memiliki potensi yang sebanding untuk respon cahaya terhadap neuron korteks visual," kata para penulis.

Dalam tes lain, cangkok mengembangkan neuron "pilih-pilih" yang lebih menyukai selektivitas orientasi khusus untuk cahaya — kekhasan yang tertanam di dalam kemampuan kita untuk memahami dunia. Saat diuji dengan kisi-kisi cahaya berbeda yang berkelap-kelip dari hitam menjadi putih, preferensi keseluruhan neuron yang dicangkokkan menirukan neuron yang normal dan sehat.

“Kami melihat bahwa sejumlah besar neuron di dalam organoid merespons orientasi cahaya tertentu, yang memberi kami bukti bahwa neuron organoid ini tidak hanya dapat berintegrasi dengan sistem visual, tetapi mereka juga dapat mengadopsi fungsi visual yang sangat spesifik. korteks,” kata Chen.

Plug-and-Play Jaringan Otak?

Studi tersebut menunjukkan bahwa otak mini dapat dengan cepat membangun jaringan saraf dengan otak inang, dengan kecepatan yang jauh lebih cepat daripada mencangkokkan sel induk individu. Ini menunjukkan penggunaan teknologi yang kuat: memperbaiki otak yang rusak dengan kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya.

Masih banyak pertanyaan. Pertama, penelitian dilakukan pada tikus yang diberi imunosupresan untuk menghambat penolakan. Harapan untuk otak mini adalah mereka akan dibiakkan dari sel pasien sendiri, menghilangkan kebutuhan akan obat imunosupresan—harapan yang belum sepenuhnya diuji. Masalah lainnya adalah bagaimana mencocokkan "usia" otak mini dengan inangnya, agar tidak mengganggu sinyal saraf intrinsik orang tersebut.

Langkah tim selanjutnya adalah mendukung daerah otak lain yang rusak dengan menggunakan otak mini, terutama kerusakan akibat degenerasi karena usia atau penyakit. Menambahkan teknologi non-invasif, seperti neuromodulasi atau "rehabilitasi" visual dari neuron, selanjutnya dapat membantu transplantasi berintegrasi ke dalam sirkuit inang dan berpotensi meningkatkan fungsinya.

“Sekarang, kami ingin memahami bagaimana organoid dapat digunakan di area lain di korteks, bukan hanya korteks visual, dan kami ingin memahami aturan yang memandu bagaimana neuron organoid berintegrasi dengan otak sehingga kami dapat mengontrol proses itu dengan lebih baik dan mewujudkannya lebih cepat, ”kata Chen.

Gambar Kredit: Jagamadze dkk.