Human Mini-Brains Grafted Into Injured Rats Restored Their Sight

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

เกือบหนึ่งทศวรรษที่แล้ว สมองส่วนเล็กๆ ได้เข้าสู่แวดวงประสาทวิทยาศาสตร์ด้วยคำมั่นสัญญาว่าจะเข้าใจสมองที่กำลังพัฒนาและฟื้นฟูสมองที่ได้รับบาดเจ็บ

เนื้อเยื่อสมองกลุ่มเล็กๆ เหล่านี้รู้จักกันในชื่อออร์การอยด์ของสมอง ซึ่งมีขนาดประมาณถั่วเลนทิล ดูไม่เหมือนอวัยวะหนัก XNUMX ปอนด์ที่ควบคุมชีวิตของเราเลย แต่ภายใต้ผิวเผิน พวกมันมีพฤติกรรมคล้ายกับสมองของมันอย่างน่าขนลุก ทารกในครรภ์ของมนุษย์. เซลล์ประสาทของพวกมันจุดประกายด้วยกิจกรรมทางไฟฟ้า พวกเขารวมเข้ากับ-และควบคุมในภายหลัง—กล้ามเนื้อ อย่างน้อยก็ในจาน คล้ายกับสมองที่เต็มเปี่ยม พวกมันให้กำเนิดเซลล์ประสาทใหม่ บางคนถึงกับพัฒนาโครงสร้างหกชั้นของเปลือกสมองมนุษย์ ซึ่งเป็นชั้นสมองชั้นนอกสุดที่มีรอยย่นซึ่งสนับสนุนความคิด การใช้เหตุผล การตัดสิน การพูด และ บางทีแม้กระทั่งจิตสำนึก.

คำถามสำคัญยังคงหลอกหลอนนักประสาทวิทยา: ชิ้นส่วนของเนื้อเยื่อสมองของแฟรงเกนสไตน์สามารถฟื้นฟูสมองที่ได้รับบาดเจ็บได้หรือไม่?

A ศึกษา ตีพิมพ์ใน เซลล์ต้นกำเนิด เดือนนี้สรุปว่าทำได้ ทีมที่นำโดยดร. Han-Chiao Isaac Chen จากมหาวิทยาลัยเพนซิลวาเนียได้ใช้ออร์การอยด์ในสมองที่ทำจากเซลล์ของมนุษย์ในการปลูกถ่ายสมองขนาดเล็กให้เป็นหนูตัวเต็มวัยซึ่งสร้างความเสียหายอย่างมากต่อเยื่อหุ้มสมองการมองเห็นของพวกมัน ซึ่งเป็นบริเวณที่รองรับการมองเห็น

ในเวลาเพียงสามเดือน สมองส่วนเล็กๆ ก็รวมเข้ากับสมองของหนู เมื่อทีมงานฉายแสงแฟลชให้กับสัตว์ สารออร์การอยด์ก็พุ่งสูงขึ้นด้วยกิจกรรมทางไฟฟ้า กล่าวอีกนัยหนึ่ง สมองส่วนเล็กๆ ของมนุษย์ได้รับสัญญาณจากดวงตาของหนู

มันไม่ใช่แค่เสียงสุ่ม เช่นเดียวกับคอร์เทกซ์การเห็นของเรา เซลล์ประสาทของสมองส่วนเล็กๆ บางส่วนจะค่อยๆ พัฒนาความพึงพอใจต่อแสงที่ฉายในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ลองจินตนาการถึงการดูของเล่นเป่าลมกังหันลมสีดำและสีขาว ขณะที่ดวงตาของคุณปรับไปตามแถบที่เคลื่อนไหวต่างๆ ฟังดูเรียบง่าย แต่ความสามารถของดวงตาในการปรับ หรือที่เรียกว่า "การเลือกทิศทาง" เป็นการประมวลผลภาพในระดับที่ซับซ้อน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อวิธีที่เรารับรู้โลก

การศึกษาครั้งนี้เป็นหนึ่งในงานแรกๆ ที่แสดงให้เห็นว่าเนื้อเยื่อสมองขนาดเล็กสามารถรวมตัวกับโฮสต์ที่เป็นผู้ใหญ่ที่ได้รับบาดเจ็บและทำหน้าที่ตามที่ตั้งใจไว้ได้ เมื่อเปรียบเทียบกับความพยายามในการปลูกถ่ายสเต็มเซลล์ครั้งก่อน เนื้อเยื่อเทียมอาจทดแทนสมองที่ได้รับบาดเจ็บหรือเสื่อมถอยได้ในอนาคต แต่ยังคงมีข้อควรระวังหลายประการ

“เนื้อเยื่อประสาทมีศักยภาพในการสร้างพื้นที่ของสมองที่ได้รับบาดเจ็บขึ้นมาใหม่” กล่าวว่า เฉิน “เราไม่ได้ทำงานทุกอย่างออกมา แต่นี่เป็นก้าวแรกที่มั่นคงมาก”

Mini-Life ของ Mini-Brain

สารอินทรีย์ในสมองมีปัญหาอย่างมาก ออกแบบครั้งแรกในปี 2014 โดยดึงดูดความสนใจของนักประสาทวิทยาทันทีในฐานะแบบจำลองสมองที่ไม่เคยมีมาก่อน

สมองเสมือนถูกสร้างขึ้นจากหลายแหล่งเพื่อเลียนแบบส่วนต่างๆ ของสมอง การใช้งานทันทีอย่างหนึ่งคือการรวมเทคโนโลยีเข้ากับ iPSC (เซลล์ต้นกำเนิด pluripotent) เพื่อศึกษาความผิดปกติของพัฒนาการทางระบบประสาท เช่น โรคจิตเภทหรือออทิสติก

ที่นี่ เซลล์ผิวหนังของผู้ป่วยจะถูกเปลี่ยนกลับไปสู่สภาวะคล้ายสเต็มเซลล์ ซึ่งสามารถเจริญเติบโตต่อไปเป็นเนื้อเยื่อ 3 มิติของสมองได้ เนื่องจากบุคคลและสมองส่วนย่อยมียีนเหมือนกัน จึงเป็นไปได้ที่จะจำลองสมองของบุคคลบางส่วนในระหว่างการพัฒนา และอาจค้นหาวิธีการรักษาใหม่ๆ ได้

นับตั้งแต่กำเนิด สมองขนาดเล็กได้ขยายขนาด อายุ และความซับซ้อนออกไป การก้าวกระโดดครั้งใหญ่อย่างหนึ่งคือก ปริมาณเลือดที่สม่ำเสมอ. สมองของเราเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับหลอดเลือด ให้อาหารเซลล์ประสาทและโครงข่ายประสาทด้วยออกซิเจนและสารอาหารเพื่อจัดหาพลังงาน ความก้าวหน้าดังกล่าวเกิดขึ้นในปี 2017 เมื่อหลายทีมแสดงให้เห็นว่าการปลูกถ่ายอวัยวะของมนุษย์ไปยังสมองของสัตว์ฟันแทะ กระตุ้นให้หลอดเลือดของโฮสต์รวมและ "ป้อน" เนื้อเยื่อสมองที่มีโครงสร้าง ปล่อยให้พัฒนาต่อไปเป็นสถาปัตยกรรมสมองที่ซับซ้อนภายในโฮสต์ การศึกษา ได้จุดประกายไฟ ของการอภิปรายในสาขานี้ โดยมีนักชีวจริยธรรมและนักวิจัยต่างสงสัยว่าออร์การอยด์ของมนุษย์สามารถเปลี่ยนการรับรู้หรือพฤติกรรมของสัตว์ฟันแทะได้หรือไม่

เฉินมีความคิดที่แตกต่างออกไป แม้จะท้าทายกว่าก็ตาม การศึกษาก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่ปลูกถ่ายสมองขนาดเล็ก เข้าสู่ทารกสัตว์ฟันแทะ เพื่อบำรุงออร์แกนอยด์และลดการรวมตัวกับสมองที่กำลังพัฒนา

ในทางตรงกันข้าม สมองของผู้ใหญ่มีรอยหยักมากกว่ามาก วงจรประสาทที่เชื่อมโยงกันอย่างมาก รวมถึงการส่งสัญญาณและฟังก์ชันต่างๆ ได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว แม้ว่าจะได้รับบาดเจ็บ เมื่อสมองพร้อมสำหรับการซ่อมแซม การใส่ชิ้นส่วนพิเศษของการปลูกถ่ายออร์แกนอยด์ของมนุษย์ เช่น พลาสเตอร์ปิดแผล สามารถรองรับวงจรประสาทที่เสียหาย หรือรบกวนการทำงานของวงจรที่สร้างขึ้นได้

การศึกษาใหม่ของ Chen ได้นำทฤษฎีนี้ไปทดสอบ

การควบรวมกิจการที่ไม่คาดคิด

ในการเริ่มต้น ทีมงานได้ปลูกฝังสารอินทรีย์ในสมองด้วยเซลล์ต้นกำเนิดจากมนุษย์ที่หมุนเวียนได้ ด้วยการใช้สูตรทางเคมีที่ได้รับการตรวจสอบก่อนหน้านี้ เซลล์ต่างๆ จะถูกเกลี้ยกล่อมให้เป็นสมองขนาดเล็กที่เลียนแบบส่วนหน้าของเยื่อหุ้มสมอง (รอบหน้าผาก)

เมื่อถึงวันที่ 80 ทีมงานได้เห็นชั้นเปลือกนอกพื้นฐานในออร์การอยด์ พร้อมด้วยเซลล์ที่จัดเรียงในลักษณะที่คล้ายกับสมองที่กำลังพัฒนา จากนั้นพวกเขาก็ย้ายออร์การอยด์ไปไว้ในคอร์เทกซ์การมองเห็นที่เสียหายของหนูตัวเต็มวัย

เพียงหนึ่งเดือนหลังการปลูกถ่าย หลอดเลือดของโฮสต์ก็รวมเข้ากับเนื้อเยื่อของมนุษย์ ทำให้มีออกซิเจนและสารอาหารที่จำเป็นมาก และปล่อยให้มันเติบโตและเจริญเติบโตต่อไป สมองขนาดเล็กได้พัฒนาเซลล์สมองจำนวนมากมาย ไม่ใช่แค่เซลล์ประสาทเท่านั้น แต่ยัง "สนับสนุน" เซลล์สมอง เช่น แอสโตรไซต์ และเซลล์ภูมิคุ้มกันเฉพาะทางที่เรียกว่า microglia สองอย่างหลังยังห่างไกลจากคำว่าสามารถจ่ายได้: พวกมันมีส่วนเกี่ยวข้องกับความชราของสมอง โรคอัลไซเมอร์ การอักเสบ และการรับรู้

แต่สมองส่วนเล็กๆ ของมนุษย์ที่ได้รับการปลูกถ่ายสามารถทำงานภายในหนูได้หรือไม่?

ในการทดสอบครั้งแรก ทีมงานใช้เครื่องติดตามยอดนิยมเพื่อสร้างแผนผังการเชื่อมต่อระหว่างออร์แกนอยด์กับดวงตาของสัตว์ เช่นเดียวกับสีย้อม ตัวติดตามคือไวรัสที่กระโดดระหว่างการเชื่อมต่อของระบบประสาทที่เรียกว่าไซแนปส์ ในขณะที่ถือโปรตีนที่เรืองแสงเป็นสีเขียวสดใสภายใต้กล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนต์ เช่นเดียวกับเส้นทางที่ไฮไลต์บน Google Maps กระแสแสงเชื่อมต่ออย่างชัดเจนกับสมองส่วนเล็กๆ ที่ได้รับการปลูกถ่าย ซึ่งหมายความว่าวงจรของมันเชื่อมโยงผ่านไซแนปส์หลายจุดเข้ากับดวงตาของหนู

คำถามที่สอง: เนื้อเยื่อที่ปลูกถ่ายช่วยให้หนู "มองเห็น" ได้หรือไม่ ในสัตว์หกในแปดตัว การเปิดหรือปิดไฟจะกระตุ้นให้เกิดการตอบสนองทางไฟฟ้า ซึ่งบ่งบอกว่าเซลล์ประสาทของมนุษย์ตอบสนองต่อการกระตุ้นจากภายนอก รูปแบบของกิจกรรมทางไฟฟ้านั้นคล้ายคลึงกับกิจกรรมตามธรรมชาติที่เห็นในคอร์เทกซ์การเห็น "แสดงให้เห็นว่าเซลล์ประสาทออร์แกนอยด์มีศักยภาพที่เทียบเคียงได้ในการตอบสนองต่อแสงต่อเซลล์ประสาทในคอร์เทกซ์การมองเห็น" ผู้เขียนกล่าว

ในการทดสอบอื่น กราฟต์ได้พัฒนาเซลล์ประสาท "จู้จี้จุกจิก" ที่ต้องการการเลือกทิศทางเฉพาะสำหรับแสง ซึ่งเป็นนิสัยแปลกที่ฝังอยู่ในความสามารถของเราในการรับรู้โลก เมื่อทดสอบด้วยตะแกรงแสงต่างๆ ที่กะพริบจากสีดำเป็นสีขาว ลักษณะโดยรวมของเซลล์ประสาทที่ถูกกราฟต์จะเลียนแบบเซลล์ประสาทปกติและมีสุขภาพดี

“เราเห็นว่าเซลล์ประสาทจำนวนมากภายในออร์การอยด์ตอบสนองต่อทิศทางเฉพาะของแสง ซึ่งให้หลักฐานว่าเซลล์ประสาทออร์การอยด์เหล่านี้ไม่เพียงแต่สามารถรวมเข้ากับระบบการมองเห็นเท่านั้น แต่ยังสามารถนำหน้าที่เฉพาะของการมองเห็นมาใช้อีกด้วย เยื่อหุ้มสมอง” เฉินกล่าว

เนื้อเยื่อสมอง Plug-and-Play?

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าสมองขนาดเล็กสามารถสร้างโครงข่ายประสาทเทียมกับสมองของโฮสต์ได้อย่างรวดเร็ว ในอัตราที่เร็วกว่าการปลูกถ่ายสเต็มเซลล์แต่ละตัวมาก โดยชี้ให้เห็นถึงการใช้เทคโนโลยีอันทรงพลัง: ซ่อมแซมสมองที่เสียหายด้วยความเร็วที่ไม่เคยมีมาก่อน

มีคำถามมากมายยังคงอยู่ ประการแรก การศึกษาได้ดำเนินการในหนูที่ได้รับยากดภูมิคุ้มกันเพื่อยับยั้งการปฏิเสธ ความหวังสำหรับสมองส่วนเล็กๆ ก็คือพวกมันจะได้รับการเพาะเลี้ยงจากเซลล์ของผู้ป่วยเอง ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ยากดภูมิคุ้มกัน ซึ่งเป็นความหวังที่ยังไม่ได้รับการทดสอบอย่างสมบูรณ์ ปัญหาอีกประการหนึ่งคือวิธีจับคู่ "อายุ" ของสมองส่วนเล็กกับโฮสต์ได้ดีที่สุด เพื่อไม่ให้รบกวนสัญญาณประสาทภายในของบุคคลนั้น

ขั้นตอนต่อไปของทีมคือการสนับสนุนส่วนอื่นๆ ของสมองที่เสียหายโดยใช้สมองขนาดเล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเสียหายที่เกิดจากการเสื่อมตามอายุหรือโรค การเพิ่มเทคโนโลยีที่ไม่รุกราน เช่น neuromodulation หรือ "การฟื้นฟู" การมองเห็นของเซลล์ประสาท อาจช่วยให้การปลูกถ่ายรวมเข้ากับวงจรของโฮสต์และอาจยกระดับการทำงานของพวกมันได้

“ตอนนี้ เราต้องการทำความเข้าใจว่าออร์การอยด์สามารถนำมาใช้ในพื้นที่อื่นๆ ของคอร์เทกซ์ได้อย่างไร ไม่ใช่แค่คอร์เทกซ์ที่มองเห็นเท่านั้น และเราต้องการเข้าใจกฎเกณฑ์ต่างๆ ที่เป็นแนวทางว่าเซลล์ประสาทออร์แกนอยด์จะรวมเข้ากับสมองได้อย่างไร เพื่อให้เราสามารถควบคุมกระบวนการนั้นได้ดีขึ้นและ ทำให้มันเกิดขึ้นเร็วขึ้น” เฉินกล่าว

เครดิตภาพ: จกามาดเซ และคณะ