부상당한 쥐에 이식된 인간 미니 뇌가 시력 회복

플라톤에 의해 재발행

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거의 XNUMX년 전, 미니 브레인은 발달 중인 뇌를 이해하고 손상된 뇌를 복구한다는 큰 약속을 가지고 신경과학 분야에 등장했습니다.

뇌 오가노이드(brain organoids)로 알려진 이 작은 뇌 조직 덩어리(대략 렌즈콩 크기)는 우리의 삶을 조종하는 XNUMX파운드짜리 기관처럼 보이지 않습니다. 그러나 표면 아래에서 그들은 섬뜩할 정도로 인간의 뇌와 유사하게 행동합니다. 인간 태아. 그들의 뉴런은 전기적 활동으로 촉발됩니다. 다음과 쉽게 통합됩니다.이후 제어-적어도 접시에 담긴 근육. 완전한 두뇌와 마찬가지로 새로운 뉴런을 낳습니다. 일부는 생각, 추리, 판단, 언어 및 의사 결정을 지원하는 주름진 뇌의 가장 바깥쪽 층인 인간 피질의 XNUMX개 층 구조를 발달시키기도 합니다. 아마도 의식까지도.

그러나 중요한 질문이 신경과학자들을 괴롭힙니다. 뇌 조직의 이 프랑켄슈타인 조각이 실제로 손상된 뇌를 복구할 수 있습니까?

A 공부 에 게시 세포 줄기 세포 이번 달에는 그들이 할 수 있다는 결론을 내렸습니다. 펜실베니아 대학의 Han-Chiao Isaac Chen 박사가 이끄는 팀은 인간 세포로 만든 뇌 오가노이드를 사용하여 시력을 지원하는 영역인 시각 피질에 상당한 손상을 입은 성체 쥐에게 미니 뇌를 이식했습니다.

단 XNUMX개월 만에 미니 뇌가 쥐의 뇌와 합쳐졌습니다. 팀이 동물을 위해 번쩍이는 불빛을 비출 때 오가노이드는 전기적 활동으로 급증했습니다. 즉, 인간의 미니 뇌는 쥐의 눈에서 신호를 받았습니다.

무작위 노이즈가 아닙니다. 우리의 시각 피질과 유사하게 작은 뇌의 뉴런 중 일부는 점차 특정 방향으로 비치는 빛에 대한 선호도를 발전시켰습니다. 움직이는 다양한 줄무늬에 눈이 적응하면서 흑백 풍차 타격 장난감을 보고 있다고 상상해 보십시오. 간단하게 들리지만 "방향 선택"이라고 하는 눈의 조정 능력은 우리가 세상을 인식하는 방식에 중요한 정교한 수준의 시각적 처리입니다.

이 연구는 미니 뇌 조직이 손상된 성인 숙주와 통합되어 의도된 기능을 수행할 수 있음을 처음으로 보여준 연구 중 하나입니다. 줄기 세포 이식에 대한 이전 시도와 비교할 때 인공 조직은 미래에 손상되거나 퇴화하는 뇌 부분을 대체할 수 있지만 많은 주의 사항이 남아 있습니다.

"신경 조직은 손상된 뇌 영역을 재건할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다." 말했다 첸. "우리는 모든 것을 해결하지는 못했지만 이것은 매우 견고한 첫 번째 단계입니다."

미니 브레인의 미니 라이프

뇌 오가노이드는 엄청난 성과를 거두었습니다. 2014년에 처음 설계되어 전례 없는 뇌 모델로서 신경과학자들의 관심을 즉시 사로잡았습니다.

준뇌는 뇌의 다른 영역을 모방하기 위해 여러 출처에서 만들어집니다. 한 가지 즉각적인 사용은 조현병이나 자폐증과 같은 신경 발달 장애를 연구하기 위해 iPSC(유도 만능 줄기 세포)와 기술을 결합하는 것이었습니다.

여기에서 환자의 피부 세포는 줄기 세포와 같은 상태로 다시 변환되며, 뇌의 3D 조직으로 더 성장할 수 있습니다. 사람과 작은 뇌는 동일한 유전자를 공유하기 때문에 발달 과정에서 사람의 뇌를 부분적으로 복제할 수 있으며 잠재적으로 새로운 치료법을 찾을 수 있습니다.

미니 브레인은 태어난 이후로 크기, 나이, 정교함 면에서 확장되었습니다. 한 가지 중요한 도약은 일관된 혈액 공급. 우리의 뇌는 혈관과 밀접하게 얽혀 있으며 뉴런과 신경망에 산소와 영양분을 공급하여 에너지를 공급합니다. 2017년 여러 팀이 인간 오가노이드를 설치류의 뇌에 이식하면 숙주의 혈관이 구조화된 뇌 조직을 통합하고 "공급"하여 숙주 내부의 복잡한 뇌 구조로 더욱 발전할 수 있음을 보여주면서 돌파구가 마련되었습니다. 연구 폭풍을 일으켰다 생명윤리학자와 연구자 모두 인간 오가노이드가 설치류의 인식이나 행동을 바꿀 수 있는지 궁금해하는 현장 내 토론.

Chen은 조금 더 도전적인 아이디어를 가지고 있었습니다. 대부분의 이전 연구는 미니 뇌를 이식했습니다. 유아 설치류로 오가노이드를 양육하고 발달 중인 뇌와의 합병을 용이하게 합니다.

대조적으로 성인의 뇌는 훨씬 더 융기되어 있습니다. 신호 및 기능을 포함하여 고도로 얽힌 신경 회로는 이미 확립되어 있습니다. 부상을 입었을 때에도 뇌가 수리할 준비가 되어 있을 때 반창고와 같은 여분의 인간 오가노이드 이식편을 밀어 넣으면 손상된 신경 회로를 지원하거나 기존 신경 회로를 방해할 수 있습니다.

Chen의 새로운 연구는 이론을 시험해 보았습니다.

예상치 못한 합병

시작하기 위해 팀은 재생 가능한 인간 줄기 세포주로 뇌 오가노이드를 배양했습니다. 이전에 검증된 화학 레시피를 사용하여 세포를 피질의 정면 부분(이마 주변)을 모방하는 미니 뇌로 유도했습니다.

80일까지 팀은 발달하는 뇌와 유사한 방식으로 조직된 세포와 함께 오가노이드에서 기초적인 피질 층을 보았습니다. 그런 다음 오가노이드를 젊은 성체 쥐의 손상된 시각 피질에 이식했습니다.

이식 후 불과 한 달 만에 숙주의 혈관이 인체 조직과 합쳐져 절실히 필요한 산소와 영양분을 공급하고 더 성장하고 성숙할 수 있게 되었습니다. 미니 뇌는 뉴런뿐만 아니라 별아교세포 및 미세아교세포라고 불리는 특화된 면역 세포와 같은 뇌 세포를 "지원"하는 무수히 많은 다양한 뇌 세포를 발달시켰습니다. 후자의 두 가지는 필수 불가결한 것이 아닙니다. 뇌 노화, 알츠하이머병, 염증 및 인지와 관련되어 있습니다.

그러나 이식된 인간의 미니 뇌가 쥐 안에서 기능할 수 있습니까?

첫 번째 테스트에서 팀은 인기 있는 추적자를 사용하여 오가노이드와 동물의 눈 사이의 연결을 매핑했습니다. 염료와 마찬가지로 추적자는 형광 현미경에서 밝은 녹색으로 빛나는 단백질을 운반하면서 신경 연결(시냅스라고 함) 사이를 뛰어다니는 바이러스입니다. Google 지도에서 강조 표시된 경로처럼 빛의 흐름은 이식된 작은 뇌까지 명확하게 연결되었습니다. 즉, 회로가 여러 시냅스를 통해 쥐의 눈에 연결되었음을 의미합니다.

두 번째 질문: 이식된 조직이 쥐가 "보는" 데 도움이 될 수 있습니까? XNUMX마리의 동물 중 XNUMX마리에서 조명을 켜거나 끄면 전기적 반응이 발생하여 인간의 뉴런이 외부 자극에 반응했음을 시사합니다. 전기 활동의 패턴은 시각 피질에서 볼 수 있는 자연적인 패턴과 유사하며, "오가노이드 뉴런이 시각 피질 뉴런에 대한 광 반응에 대해 비슷한 잠재력을 가지고 있음을 시사합니다."라고 저자는 말했습니다.

또 다른 테스트에서 이식편은 빛에 대한 특정 방향 선택성을 선호하는 "까다로운" 뉴런을 발달시켰습니다. 검은색에서 흰색으로 깜박이는 다른 광 격자로 테스트했을 때 이식된 뉴런의 전반적인 선호도는 정상적이고 건강한 뉴런의 선호도를 모방했습니다.

"우리는 오가노이드 내의 많은 수의 뉴런이 빛의 특정 방향에 반응하는 것을 보았습니다. 이는 이러한 오가노이드 뉴런이 시각 시스템과 통합할 수 있을 뿐만 아니라 시각의 매우 특정한 기능을 채택할 수 있다는 증거를 제공합니다. 피질”이라고 Chen이 말했습니다.

플러그 앤 플레이 뇌 조직?

이 연구는 미니 뇌가 개별 줄기 세포를 이식하는 것보다 훨씬 빠른 속도로 숙주의 뇌와 신경망을 빠르게 구축할 수 있음을 보여줍니다. 그것은 기술의 강력한 사용을 제안합니다: 전례 없는 속도로 손상된 뇌를 복구합니다.

많은 질문이 남아 있습니다. 우선, 연구는 거부반응을 억제하기 위해 면역억제제를 투여한 쥐에서 수행되었습니다. 미니 뇌에 대한 희망은 환자 자신의 세포에서 배양되어 면역억제제가 필요하지 않고 아직 완전히 테스트되지 않은 희망입니다. 또 다른 문제는 사람의 고유한 신경 신호를 방해하지 않도록 미니 뇌의 "나이"를 호스트의 "나이"와 가장 잘 일치시키는 방법입니다.

팀의 다음 단계는 미니 뇌를 사용하여 다른 손상된 뇌 영역, 특히 노화나 질병으로 인한 퇴화로 인한 손상을 지원하는 것입니다. 신경 조절 또는 뉴런의 시각적 "재활"과 같은 비침습적 기술을 추가하면 이식이 숙주의 회로에 통합되고 잠재적으로 기능을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

"이제 우리는 오가노이드가 시각 피질뿐만 아니라 피질의 다른 영역에서 어떻게 사용될 수 있는지 이해하고 오가노이드 뉴런이 뇌와 통합되는 방식을 안내하는 규칙을 이해하여 그 과정을 더 잘 제어하고 더 빨리 일어나게 하십시오.”라고 Chen이 말했습니다.

이미지 신용 : Jgamadzeet al.