Міні-мозки людини, прищеплені пораненим щурам, повернули їм зір

Перевидано Платоном

читають: 0

Майже десять років тому міні-мозки вийшли на арену нейронауки з великою обіцянкою: зрозуміти розвиток мозку та відновити пошкоджений мозок.

Відомі як органоїди мозку, ці крихітні згустки мозкової тканини — розміром приблизно з сочевицю — зовсім не схожі на трикілограмовий орган, який керує нашим життям. Але під поверхнею вони поводяться жахливо подібно до мозку людський плід. Їх нейрони іскриться від електричної активності. Вони легко інтегруються з—і згодом контроль—м'язи хоч у блюді. Подібно до повноцінного мозку, вони породжують нові нейрони. Деякі навіть розвивають шестишарову структуру людської кори — зморшкуватий зовнішній шар мозку, який підтримує мислення, міркування, судження, мову та можливо навіть свідомість.

І все ж нейробіологів хвилює важливе питання: чи можуть ці фрагменти мозкової тканини Франкенштейна справді відновити пошкоджений мозок?

A вчитися опубліковані в Клітинна стовбурова клітина цього місяця дійшли висновку, що можуть. Використовуючи органоїди мозку, виготовлені з людських клітин, команда під керівництвом доктора Хан-Чіао Ісаака Чена з Університету Пенсільванії пересадила міні-мозки дорослим щурам із значним пошкодженням зорової кори — області, яка підтримує зір.

Всього за три місяці міні-мозки злилися з мозками щурів. Коли команда посвітила миготливими вогнями для тварин, в органоїдів виникла електрична активність. Іншими словами, людський міні-мозок отримував сигнали від очей щурів.

Це не просто випадковий шум. Подібно до нашої зорової кори, деякі нейрони міні-мозку поступово виробили перевагу світлу, яке світиться в певній орієнтації. Уявіть, що ви дивитеся на чорно-білу іграшку-вітряк, поки ваші очі звикають до різних рухомих смуг. Це звучить просто, але здатність ваших очей пристосовуватися — так звана «вибір орієнтації» — це складний рівень візуальної обробки, який має вирішальне значення для того, як ми сприймаємо світ.

Дослідження є одним із перших, яке показало, що тканина міні-мозку може інтегруватися з пораненим дорослим господарем і виконувати призначену функцію. Порівняно з попередніми спробами трансплантації стовбурових клітин, штучні тканини можуть замінити пошкоджену або дегенеруючу частину мозку в майбутньому, але багато застережень залишається.

«Нервові тканини мають потенціал для відновлення ділянок пошкодженого мозку», сказав Чен. «Ми ще не все опрацювали, але це дуже серйозний перший крок».

Міні-життя міні-мозку

Органоїди мозку зазнали пекельних труднощів. Вперше створені в 2014 році, вони відразу ж зацікавили нейробіологів як безпрецедентна модель мозку.

Квазі-мозки створені з кількох джерел, щоб імітувати різні ділянки мозку. Одним із негайних застосувань було поєднання технології з iPSC (індукованими плюрипотентними стовбуровими клітинами) для вивчення порушень розвитку нервової системи, таких як шизофренія чи аутизм.

Тут клітини шкіри пацієнта перетворюються назад у стан, схожий на стовбурові клітини, які потім можна виростити в 3D-тканину його мозку. Оскільки людина та міні-мозок мають однакові гени, можна частково скопіювати мозок людини під час розвитку — і потенційно шукати нові ліки.

З моменту народження міні-мозок збільшився в розмірі, віці та складності. Одним із великих стрибків став a стабільне кровопостачання. Наш мозок тісно переплетений з кровоносними судинами, живлячи наші нейрони та нейронні мережі киснем і поживними речовинами для забезпечення енергією. Прорив стався в 2017 році, коли кілька команд показали, що трансплантація людських органоїдів у мозок гризунів запустила кровоносні судини господаря інтегрувати та «годувати» структуровану тканину мозку, дозволяючи їй далі розвиватися в складну архітектуру мозку всередині господаря. Дослідження викликав пожежну бурю дискусій у цій галузі, коли біоетики та дослідники цікавляться, чи можуть людські органоїди змінити сприйняття чи поведінку гризунів.

У Чена була інша, хоча й більш складна ідея. Більшість попередніх досліджень трансплантували міні-мозки в дитинчат гризунів плекати органоїди та полегшувати їх злиття з мозком, що розвивається.

Навпаки, мозок дорослої людини набагато більш ребристий. Сильно переплетені нейронні ланцюги, включаючи їх сигналізацію та функції, уже встановлені. Навіть у разі травми, коли мозок готовий до відновлення, вставляння зайвих шматочків органоїдних трансплантатів людини, як пластир, може підтримувати пошкоджені нейронні ланцюги — або заважати усталеним.

Нове дослідження Чена перевірило цю теорію.

Несподіване злиття

Для початку команда культивувала органоїди мозку з поновлюваною лінією стовбурових клітин людини. За допомогою попередньо перевіреного хімічного рецепту клітини були створені в міні-мозки, які імітують фронтальні частини кори (навколо чола).

На 80-й день команда побачила рудиментарні кортикальні шари в органоїді разом з клітинами, організованими таким чином, що нагадує мозок, що розвивається. Потім вони пересадили органоїди в пошкоджену зорову кору молодих дорослих щурів.

Лише через місяць після трансплантації кровоносні судини господаря злилися з людською тканиною, забезпечуючи її таким необхідним киснем і поживними речовинами, дозволяючи їй далі рости та дозрівати. Міні-мозки розвинули безліч різних мозкових клітин — не лише нейронів, а й «допоміжних» клітин мозку, таких як астроцити та спеціалізовані імунні клітини, які називають мікроглією. Останні два далеко не обійтися: вони причетні до старіння мозку, хвороби Альцгеймера, запалення та пізнання.

Але чи може трансплантований людський міні-мозок функціонувати всередині щура?

У першому тесті команда використовувала популярний індикатор, щоб відобразити зв’язки між органоїдом і оком тварини. Подібно до барвника, трасувальник — це вірус, який стрибає між нейронними зв’язками — синапсами — переносячи при цьому білок, який світиться яскраво-зеленим під флуоресцентним мікроскопом. Подібно до виділеного маршруту на Google Maps, світловий потік чітко пов’язувався з пересадженим міні-мозком, тобто його схема через кілька синапсів з’єднувалася з очима щурів.

Друге запитання: чи може пересаджена тканина допомогти щуру «бачити»? У шести з восьми тварин увімкнення або вимкнення світла викликало електричну реакцію, що свідчить про те, що нейрони людини реагували на зовнішню стимуляцію. Патерн електричної активності нагадував природні, що спостерігаються в зоровій корі, «що свідчить про те, що органоїдні нейрони мають порівнянний потенціал реагування на світло з нейроном зорової кори», - сказали автори.

В іншому тесті трансплантати розвинули «прискіпливі» нейрони, які надавали перевагу певній селективності орієнтації світла — примха, вбудована в нашу здатність сприймати світ. Під час тестування з різними світловими гратами, які мерехтіли від чорного до білого, загальні переваги щеплених нейронів імітували переваги нормальних, здорових нейронів.

«Ми побачили, що велика кількість нейронів в органоїді реагує на певну орієнтацію світла, що дає нам доказ того, що ці органоїдні нейрони змогли не просто інтегруватися з зоровою системою, але вони змогли прийняти дуже специфічні функції зору. кори", - сказав Чень.

Мозкова тканина Plug-and-Play?

Дослідження показує, що міні-мозки можуть швидко створювати нейронні мережі з мозком хазяїна набагато швидше, ніж трансплантація окремих стовбурових клітин. Це передбачає потужне застосування технології: відновлення пошкодженого мозку з безпрецедентною швидкістю.

Залишається багато питань. По-перше, дослідження проводилося на щурах, які отримували імунодепресанти для пригнічення відторгнення. Надія на міні-мозки полягає в тому, що їх культивуватимуть із власних клітин пацієнта, усуваючи потребу в імуносупресивних препаратах — надію, яку ще належить повністю перевірити. Інша проблема полягає в тому, як найкращим чином узгодити «вік» міні-мозку з віком його господаря, щоб не порушити внутрішні нейронні сигнали людини.

Наступний крок команди полягає в підтримці інших пошкоджених ділянок мозку за допомогою міні-мозків, зокрема пошкоджень через дегенерацію через вік або хворобу. Додавання неінвазивних технологій, таких як нейромодуляція або візуальна «реабілітація» нейронів, може додатково допомогти трансплантату інтегруватися в ланцюг господаря та потенційно підвищити їхню функцію.

«Тепер ми хочемо зрозуміти, як органоїди можна використовувати в інших областях кори, а не тільки в зоровій корі, і ми хочемо зрозуміти правила, які керують тим, як органоїдні нейрони інтегруються в мозок, щоб ми могли краще контролювати цей процес і зробіть це швидшим», – сказав Чень.

Зображення Фото: Джгамадзе та ін.