Человеческие мини-мозги, пересаженные раненым крысам, вернули им зрение

Переиздано Платоном

Читают: 0

Почти десять лет назад мини-мозги вышли на сцену нейробиологии с большими обещаниями: понимание развивающегося мозга и восстановление поврежденного мозга.

Эти крошечные скопления мозговой ткани, известные как органоиды мозга, размером примерно с чечевицу, совсем не похожи на трехфунтовый орган, управляющий нашей жизнью. Тем не менее, под поверхностью они ведут себя жутко похожими на мозг человеческий плод. Их нейроны искрятся электрической активностью. Они легко интегрируются с…и впоследствии контролировать— мышцы, по крайней мере, в тарелке. Подобно полноценному мозгу, они рождают новые нейроны. Некоторые даже развивают шестислойную структуру коры головного мозга человека — морщинистый, самый внешний слой мозга, который поддерживает мышление, рассуждение, суждение, речь и возможно даже сознание.

Тем не менее, нейробиологов мучает важный вопрос: могут ли эти фрагменты ткани мозга Франкенштейна на самом деле восстанавливать поврежденный мозг?

A Исследование опубликованной в Сотовые стволовых клеток в этом месяце пришли к выводу, что могут. Используя органоиды мозга, сделанные из клеток человека, команда под руководством доктора Хан-Чиао Исаака Чена из Пенсильванского университета пересадила мини-мозги взрослым крысам со значительным повреждением их зрительной коры — области, которая поддерживает зрение.

Всего за три месяца мини-мозг слился с мозгом крысы. Когда команда посветила животным проблесковыми огнями, в органоидах вспыхнула электрическая активность. Другими словами, человеческий мини-мозг получал сигналы от крысиных глаз.

Это не просто случайный шум. Подобно нашей зрительной коре, некоторые нейроны мини-мозга постепенно выработали предпочтение света, сияющего в определенной ориентации. Представьте, что вы смотрите на черно-белую игрушку с ветряной мельницей, пока ваши глаза привыкают к различным движущимся полосам. Звучит просто, но способность ваших глаз приспосабливаться — получившая название «выбор ориентации» — представляет собой сложный уровень визуальной обработки, который имеет решающее значение для нашего восприятия мира.

Исследование является одним из первых, показавших, что ткань мини-мозга может интегрироваться с травмированным взрослым хозяином и выполнять предназначенную ему функцию. По сравнению с предыдущими попытками трансплантации стволовых клеток искусственные ткани могут в будущем заменить поврежденный или дегенерирующий участок мозга, но остается много предостережений.

«Нервные ткани способны восстанавливать участки поврежденного мозга». — сказал Чен. «Мы еще не все проработали, но это очень надежный первый шаг».

Мини-жизнь мини-мозга

Мозговые органоиды прошли через ад. Впервые разработанные в 2014 году, они сразу же привлекли внимание нейробиологов как беспрецедентная модель мозга.

Квазимозги состоят из нескольких источников, чтобы имитировать различные области мозга. Одно из непосредственных применений заключалось в объединении технологии с иПСК (индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками) для изучения нарушений развития нервной системы, таких как шизофрения или аутизм.

Здесь клетки кожи пациента преобразовываются обратно в состояние, подобное стволовым клеткам, которые затем могут быть выращены в трехмерную ткань их мозга. Поскольку человек и мини-мозг имеют одни и те же гены, можно частично дублировать мозг человека во время разработки и потенциально искать новые лекарства.

С момента своего рождения мини-мозги увеличились в размерах, возрасте и сложности. Один крупный скачок был постоянное кровоснабжение. Наш мозг тесно переплетен с кровеносными сосудами, питающими наши нейроны и нейронные сети кислородом и питательными веществами для обеспечения энергией. Прорыв произошел в 2017 году, когда несколько команд показали, что трансплантация человеческих органоидов в мозг грызунов заставляла кровеносные сосуды хозяина интегрировать и «кормить» структурированную мозговую ткань, позволяя ей далее развиваться в сложную архитектуру мозга внутри хозяина. Исследования вызвал огненную бурю дискуссий в этой области, и биоэтики, и исследователи задаются вопросом, могут ли человеческие органоиды изменить восприятие или поведение грызунов.

У Чена была другая, хотя и более сложная идея. В большинстве предыдущих исследований трансплантировали мини-мозги в детенышей грызунов питать органоиды и облегчать их слияние с развивающимся мозгом.

Мозг взрослого человека, напротив, гораздо более ребристый. Сильно переплетенные нейронные цепи, включая их передачу сигналов и функции, уже установлены. Даже при травме, когда мозг готов к восстановлению, добавление дополнительных кусочков человеческих органоидных трансплантатов, таких как лейкопластырь, может поддерживать сломанные нейронные цепи или мешать уже существующим.

Новое исследование Чена подвергло теорию проверке.

Неожиданное слияние

Для начала команда культивировала органоиды мозга с помощью линии возобновляемых стволовых клеток человека. Используя ранее проверенный химический рецепт, клетки превратили в мини-мозги, имитирующие лобные части коры (вокруг лба).

К 80-му дню команда увидела рудиментарные слои коры в органоиде, а также клетки, организованные таким образом, что это напоминало развивающийся мозг. Затем они пересадили органоиды в поврежденную зрительную кору молодых взрослых крыс.

Всего через месяц после трансплантации кровеносные сосуды хозяина слились с тканями человека, снабжая его столь необходимыми кислородом и питательными веществами и позволяя ему расти и созревать дальше. В мини-мозге развилось множество различных клеток мозга — не только нейронов, но и «поддерживающих» клеток мозга, таких как астроциты и специализированные иммунные клетки, получившие название микроглии. Последние два далеко не обязательны: они связаны со старением мозга, болезнью Альцгеймера, воспалением и нарушением когнитивных функций.

Но может ли трансплантированный человеческий мини-мозг функционировать внутри крысы?

В первом тесте команда использовала популярный индикатор для картирования связей между органоидом и глазом животного. Подобно красителю, трассер — это вирус, который прыгает между нервными связями — синапсы — и несет белок, который светится ярко-зеленым цветом под флуоресцентным микроскопом. Подобно выделенному маршруту на Google Maps, световой поток на всем своем пути четко соединялся с трансплантированным мини-мозгом, а это означало, что его схема через многочисленные синапсы была связана с глазами крысы.

Второй вопрос: может ли пересаженная ткань помочь крысе «видеть»? У шести из восьми животных включение или выключение света вызывало электрический ответ, что свидетельствует о том, что человеческие нейроны реагировали на внешнюю стимуляцию. Паттерн электрической активности напоминал естественные, наблюдаемые в зрительной коре, «предполагая, что органоидные нейроны обладают сопоставимым потенциалом чувствительности к свету с нейронами зрительной коры», — говорят авторы.

В другом тесте трансплантаты развили «привередливые» нейроны, которые предпочитали определенную избирательность ориентации для света — причуда, встроенная в нашу способность воспринимать мир. При тестировании с различными световыми решетками, которые мерцали от черного к белому, общее предпочтение пересаженных нейронов имитировало предпочтение нормальных, здоровых нейронов.

«Мы увидели, что большое количество нейронов внутри органоида реагировало на определенные направления света, что дает нам доказательства того, что эти органоидные нейроны были способны не только интегрироваться со зрительной системой, но и принимать очень специфические функции зрительной системы. коры, — сказал Чен.

Мозговая ткань Plug-and-Play?

Исследование показывает, что мини-мозги могут быстро создавать нейронные сети с мозгом хозяина со скоростью, намного превышающей скорость трансплантации отдельных стволовых клеток. Это предполагает эффективное использование технологии: восстановление поврежденного мозга с беспрецедентной скоростью.

Остается много вопросов. Во-первых, исследование проводилось на крысах, получавших иммунодепрессанты для подавления отторжения. Надежда на мини-мозг состоит в том, что его будут культивировать из собственных клеток пациента, что избавит от необходимости в иммунодепрессантах — надежду, которую еще предстоит полностью проверить. Другая проблема заключается в том, как наилучшим образом сопоставить «возраст» мини-мозга с возрастом его хозяина, чтобы не нарушить внутренние нейронные сигналы человека.

Следующим шагом команды является поддержка других поврежденных областей мозга с помощью мини-мозга, особенно повреждений, вызванных возрастной дегенерацией или болезнью. Добавление неинвазивных технологий, таких как нейромодуляция или визуальная «реабилитация» нейронов, может еще больше помочь трансплантату интегрироваться в цепь хозяина и потенциально улучшить их функцию.

«Теперь мы хотим понять, как органоиды можно использовать в других областях коры, а не только в зрительной коре, и мы хотим понять правила, определяющие, как органоидные нейроны интегрируются с мозгом, чтобы мы могли лучше контролировать этот процесс и чтобы это произошло быстрее», — сказал Чен.

Изображение Фото: Джгамадзе и др.