負傷したラットに移植された人間のミニ脳は視力を回復した

プラトン再発行

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ほぼ XNUMX 年前、小さな脳が神経科学の世界に登場し、大きな期待が寄せられました。それは、発達中の脳を理解し、損傷した脳を修復することです。

脳オルガノイドとして知られるこれらの脳組織の小さな塊は、およそレンズマメほどの大きさで、私たちの生命を操縦する XNUMX ポンドの器官とはまったく似ていません。しかし、水面下では、彼らは不気味なほど人間の脳と同じように振る舞います。人間の胎児. 彼らのニューロンは電気活動で火花を散らします。それらは容易に統合できます—続いてコントロール—少なくとも皿の中の筋肉。本格的な脳と同様に、それらは新しいニューロンを生み出します。人間の大脳皮質の XNUMX 層構造を発達させる人さえいます。これは、思考、推論、判断、発話、行動をサポートする、しわの寄った脳の最外層です。おそらく意識さえ.

しかし、神経科学者を悩ませている重要な問題があります。これらのフランケンシュタインの脳組織の破片は、実際に損傷した脳を元に戻すことができるのでしょうか?

A 研究に発表され 細胞幹細胞 今月は、彼らができると結論付けました。ペンシルベニア大学の Han-Chiao Isaac Chen 博士が率いるチームは、人間の細胞から作られた脳オルガノイドを使用して、視覚皮質 (視覚をサポートする領域) にかなりの損傷を与えた成体ラットにミニ脳を移植しました。

わずか XNUMX か月で、ミニ脳はラットの脳と融合しました。チームが動物のために点滅するライトを照らしたとき、オルガノイドは電気的活動で急上昇しました。言い換えれば、人間のミニ脳はラットの目から信号を受信しました。

単なるランダムノイズではありません。私たちの視覚皮質と同様に、ミニ脳のニューロンの一部は、特定の方向で輝く光を徐々に好みます。白黒の風車の吹き飛ばしのおもちゃを見ていると想像してみてください。目がさまざまな動く縞模様に順応していきます。単純に聞こえるかもしれませんが、「方向の選択」と呼ばれる目の適応能力は、私たちが世界をどのように認識しているかに重要な視覚処理の高度なレベルです。

この研究は、ミニ脳組織が損傷した成人宿主と統合し、意図した機能を実行できることを示した最初の研究の XNUMX つです。幹細胞移植のこれまでの試みと比較すると、人工組織は将来、損傷した、または変性した脳の一部に取って代わる可能性がありますが、多くの注意点が残っています.

「神経組織には、損傷した脳の領域を再構築する可能性があります。」とチェン。「すべてを解決したわけではありませんが、これは非常に堅実な第一歩です。」

ミニブレインのミニライフ

脳オルガノイドは大変なことになっています。 2014 年に最初に設計された彼らは、前例のない脳のモデルとしてすぐに神経科学者の関心を集めました。

疑似脳は、脳のさまざまな領域を模倣するために複数のソースから作られています。すぐに使用できる方法の XNUMX つは、この技術を iPSC (人工多能性幹細胞) と組み合わせて、統合失調症や自閉症などの神経発達障害を研究することでした。

ここでは、患者の皮膚細胞が幹細胞のような状態に変換され、脳の 3D 組織にさらに成長させることができます。人間とミニ脳は同じ遺伝子を共有しているため、開発中に人間の脳を部分的に複製することが可能であり、新しい治療法を探し出す可能性があります.

ミニブレインは誕生以来、サイズ、年齢、洗練度が拡大しています。 XNUMX つの大きな飛躍は、一貫した血液供給. 私たちの脳は血管と密接に絡み合っており、ニューロンとニューラルネットワークに酸素と栄養素を供給してエネルギーを供給しています。ブレークスルーは 2017 年に起こりました。人間のオルガノイドを齧歯動物の脳に移植すると、宿主の血管が構造化された脳組織を統合して「栄養」を与え、宿主内の複雑な脳構造にさらに発展できることがいくつかのチームによって示されました。研究火の嵐を巻き起こした人間のオルガノイドがげっ歯類の知覚や行動を変えることができるかどうか疑問に思っている生物倫理学者や研究者と同様に、フィールド内での議論の。

チェンは、もっと挑戦的なアイデアを持っていました。これまでのほとんどの研究では、ミニ脳が移植されていました幼児げっ歯類にオルガノイドを育成し、発達中の脳との融合を容易にします。

対照的に、成人の脳ははるかに隆起しています。シグナル伝達や機能を含む高度に絡み合った神経回路は、すでに確立されています。負傷した場合でも、脳が修復の準備ができている場合でも、バンドエイドのような人間のオルガノイド移植片を余分に押し込むことで、壊れた神経回路をサポートしたり、確立された神経回路を妨害したりできます.

チェンの新しい研究は、理論をテストした。

予期せぬ合併

まず、チームは再生可能なヒト幹細胞株を用いて脳オルガノイドを培養しました。以前に検証された化学レシピを使用して、細胞は皮質の前頭部分 (額の周り) を模倣するミニ脳に誘導されました。

80日目までに、チームはオルガノイドの基本的な皮質層と、発達中の脳に似た方法で組織化された細胞を観察しました. 次に、オルガノイドを若い成体ラットの損傷した視覚野に移植しました。

移植後わずか XNUMX か月で、宿主の血管が人間の組織と融合し、非常に必要な酸素と栄養素が供給され、さらに成長して成熟することが可能になりました。ミニ脳は、無数の異なる脳細胞を発達させた.神経細胞だけでなく、アストロサイトやミクログリアと呼ばれる特殊な免疫細胞などの脳細胞を「支える」. 後者の XNUMX つは不可欠ではありません。これらは、脳の老化、アルツハイマー病、炎症、および認知に関与しています。

しかし、移植されたヒトのミニ脳はラットの中で機能するのだろうか?

最初のテストで、チームは一般的なトレーサーを使用して、オルガノイドと動物の眼の間の接続をマッピングしました。トレーサーは色素と同様に、シナプスと呼ばれる神経接続の間を飛び回るウイルスであり、蛍光顕微鏡下で明るい緑色に光るタンパク質を運ぶ。 Google マップの強調表示されたルートのように、光の流れは移植されたミニ脳にはっきりとつながっていました。つまり、その回路は複数のシナプスを介してラットの目につながっていました。

XNUMX 番目の質問: 移植された組織はラットの「見る」のに役立つでしょうか? XNUMX 匹中 XNUMX 匹の動物で、ライトを点けたり消したりすると電気的反応が引き起こされ、人間のニューロンが外部からの刺激に反応したことが示唆されました。電気的活動のパターンは、視覚皮質に見られる自然のパターンに似ており、「オルガノイドニューロンが視覚皮質ニューロンと同等の光応答能力を持っていることを示唆しています」と著者らは述べています。

別のテストでは、移植片は、光に対して特定の方向選択性を好む「うるさい」ニューロンを発達させました。黒から白にちらつくさまざまな光格子でテストしたところ、移植されたニューロンの全体的な好みは、正常で健康なニューロンの好みに似ていました。

「オルガノイド内のかなりの数のニューロンが特定の方向の光に反応することがわかりました。これは、これらのオルガノイドニューロンが視覚系と統合できるだけでなく、視覚系の非常に特殊な機能を採用できたことを示しています。皮質です」とチェンは言いました。

プラグアンドプレイの脳組織?

この研究は、個々の幹細胞を移植するよりもはるかに速い速度で、ミニ脳が宿主の脳と神経ネットワークを迅速に確立できることを示しています。これは、この技術の強力な用途を示唆しています。前例のない速度で損傷した脳を修復します。

多くの疑問が残ります。 XNUMXつには、拒絶反応を抑制するために免疫抑制剤を投与されたラットで研究が行われました。ミニ脳の希望は、それらが患者自身の細胞から培養され、免疫抑制剤の必要性を排除することであり、まだ完全にテストされていない. 別の問題は、ミニ脳の「年齢」をホストの「年齢」に最もよく一致させて、人の固有の神経信号を乱さないようにする方法です。

チームの次のステップは、ミニ脳を使用して他の損傷した脳領域、特に加齢や病気による変性による損傷をサポートすることです。ニューロモデュレーションやニューロンの視覚的「リハビリテーション」などの非侵襲的技術を追加することで、移植片が宿主の回路に統合され、機能が向上する可能性があります。

「現在、オルガノイドが視覚野だけでなく皮質の他の領域でどのように使用できるかを理解したいと考えています。また、オルガノイドニューロンが脳と統合する方法を導くルールを理解したいと考えています。これにより、そのプロセスをより適切に制御し、より迅速に実現します」とチェン氏は述べています。

画像のクレジット： Jgamadze等。