Remiantis nauju tyrimu, mokslininkai laboratorijoje sukūrė miniatiūrines smegenis, kurios suformavo sudėtingus tinklus ir sukūrė smegenų bangas, panašias į tas, kurias iššauna neišnešioto žmogaus kūdikio besivystančios smegenys.
Idėja auginti miniatiūrines smegenis laboratorijoje nėra nauja; tyrėjai tai daro beveik dešimtmetį. Tačiau dauguma tyrimų naudojo šias mini smegenis arba „organoidus“, norėdami ištirti didelio masto struktūrą.
Pavyzdžiui, viena grupė sukūrė mini smegenis, galinčias augti kraujagysles, anksčiau pranešė „Live Science“. Kita grupė paveikė Zikos virusą mini smegenimis, kad suprastų, kaip tai gali sukelti neįprastai mažas galvas ar mikrocefaliją.
Tačiau tokiomis sąlygomis kaip autizmas, šizofrenija, bipolinis sutrikimas ir net depresija „smegenys yra nepažeistos, o problema priklauso nuo tinklo operacijų“, - teigė tyrimo vyresnysis autorius Alyssonas Muotri, Ląstelių ir molekulinės medicinos katedros docentas ir kamieninių ląstelių programos direktorius Kalifornijos universitete, San Diege. Tai yra pirmas kartas, kai laboratorijoje užaugintos smegenys suformuoja sudėtingus neuronų tinklus, kurie sukėlė stiprias smegenų bangas.
Norėdami tai padaryti, Muotri ir jo komanda iš žmonių odos ir kraujo paėmė žmogaus kamienines ląsteles - kurios gali pereiti į bet kokio tipo ląsteles, pateikus teisingas instrukcijas. Tyrėjai šias kamienines ląsteles paveikė cheminėmis instrukcijomis, kurios pavers ląsteles smegenų ląstelėmis.
Daugeliu atvejų šios ląstelės sudarė nervų progenitorines ląsteles, specifines smegenims, kurios gali daugintis ir sukelti daugelio rūšių smegenų ląsteles. Po dviejų – penkių mėnesių laboratoriniame indelyje šios progenitorinės ląstelės suformuoja glutamaterginius neuronus, „sužadinančias“ smegenų ląsteles arba tas, kurios skleidžia informaciją.
Maždaug po keturių mėnesių mini smegenys nustojo gaminti sužadinančius neuronus ir pradėjo gaminti astrocitus. Šios smegenų ląstelės padeda formuoti sinapses, tarpus tarp smegenų ląstelių, kur perduoda neurotransmiteriai arba smegenų chemikalai. Galiausiai, progenitorinės ląstelės pradėjo gaminti slopinamuosius neuronus, kurie numalšina smegenų veiklą, arba sustabdo neuronų praleidimą informacija. Tuomet „veikla pradeda tapti sudėtingesnė, nes dabar mes subalansuojame sužadinimą ir slopinimą“, - teigė Muotri.
Kol ląstelės dalijosi ir diferenciavo, jos galų gale pradėjo „savarankiškai organizuotis į tai, kas primena žmogaus žievę“, - teigė Muotri. Žievė yra išorinis smegenų sluoksnis, atliekantis svarbų vaidmenį sąmonėje.
„Mini smegenys“ iš tikrųjų neatrodo kaip miniatiūrinės žmogaus smegenų versijos. Muotri teigė, kad tai yra balti rutuliniai taškeliai, plūduriuojantys rausvoje sriuboje, kurioje jie auginami. Jis užaugo tik iki 0,2 colio (0,5 centimetro) skersmens, tačiau jų nerviniai tinklai toliau vystėsi devynis – 10 mėnesių iki sustojimo, sakė jis.
Visoje mini smegenų augimo metu komanda naudojo mažyčių elektrodų rinkinį, kuris jungiasi su neuronais, kad išmatuotų smegenų veiklą. Tyrėjai išsiaiškino, kad maždaug po dviejų mėnesių mini smegenyse esantys neuronai pradėjo skleisti sporadinius signalus, visi tuo pačiu dažniu. Po dar kelių mėnesių vystymosi smegenys signalus skleidė skirtingais dažniais ir reguliariau, tai rodo sudėtingesnę smegenų veiklą, sakė Muotri.
Nors ankstesni tyrimai parodė, kad mažos, laboratorijoje pagamintos smegenys gali suaktyvinti smegenų ląsteles, tyrėjai pranešė, kad šaudo maždaug 3000 kartų per minutę, sakė Muotri. Tačiau šiame tyrime neuronai šaudė beveik 300 000 kartų per minutę, o tai yra „arčiau žmogaus smegenų“.
Tuomet komanda panaudojo mašininio mokymosi algoritmą, kad palygintų šių mini smegenų veiklą su neišnešiotų kūdikių smegenimis. Tyrėjai parengė savo programą, norėdami išmokti smegenų bangas, užfiksuotas 39 neišnešiotiems kūdikiams nuo 6 iki 9 su puse mėnesio.
Tada mokslininkai į algoritmą įtraukė smegenų bangų modelius iš mini smegenų ir nustatė, kad po 25 savaičių mini smegenų vystymosi ji nebegalėjo atskirti duomenų, gaunamų iš žmogaus smegenų, iš tų, kurie gaunami iš laboratorijoje užaugintų smegenų. „Tai susipainioja ir suteikia jiems abiem tą patį amžių“, - tai rodo, kad mini ir žmogaus smegenys augo ir vystėsi panašiai, sakė Muotri.
Šis tyrimas rodo, kad „labai gražu, kad jūs galite padaryti šią atkuriamą eksperimentinę sistemą, kurioje galėtumėte atkreipti dėmesį į procesus, kurie yra tokie svarbūs žmogaus vystymuisi“, - teigė dr. Thomas Hartungas, Johns Hopkins bandymų su gyvūnais alternatyvų centro direktorius. kuris taip pat dirbo kuriant mini smegenis laboratorijoje, bet kuris nebuvo tyrimo dalis.
„Embrioninių smegenų neprieinamumas yra viena iš priežasčių, kodėl šie modeliai siūlo kažką kitokio“, - sakė jis. "Bet tai taip pat reiškia, kad turite labai ribotas galimybes pasakyti tikrąjį dalyką." Nors EEG signalai yra panašūs į neišnešiotų kūdikių, jie šiek tiek skiriasi, pridūrė jis.
Žmogaus embrionas yra sujungtas su motina ir priima signalus iš išorės, tačiau šios laboratorijoje užaugintos smegenys nėra sujungtos. „Šios ląstelės neturi įvesties arba išvesties, jos negali atpažinti nieko, kas vyksta pasaulyje“, - teigė Hartungas. Taigi jie „tikrai ne“ sąmoningi.
Dėl to sutiks dauguma mokslininkų, tačiau „sunku pasakyti“, - teigė Muotri. "Mes, neuromokslininkai, net nesutinkame, kokius matavimus galima atlikti, norint iš tikrųjų nustatyti, ar jie sąmoningi, ar ne."
Žmogaus smegenys siunčia savo signalus, kad padėtų mums sąveikauti su mūsų aplinka. Pavyzdžiui, mes žiūrime į klaidą, akys siunčia signalus į smegenų ląsteles, kurios signalizuoja viena kitai ir praneša mums, kad matome klaidą.
Taigi, kodėl šios laboratorijoje išaugintos smegenys siunčia signalus? Apie ką jie galbūt galėtų kalbėti? "Tai klausimas, kurio mes nežinome, nes embriono smegenys iš tikrųjų yra juodoji dėžutė", - teigė Muotri. Panašu, kad dauguma signalų šiais ankstyvaisiais etapais yra susiję su instrukcijomis, kaip „susieti laidą“ arba prisijungti vienas prie kito, sakė jis.
Bet kokiu atveju, jis tikisi, kad tokie tyrimai padės mums suprasti, kaip anksti smegenų laidai sukelia mūsų sudėtingas smegenis ir kas nutinka, kai tas laidavimas nutrūksta.
Muotri ir jo komanda teigė, kad dabar tikisi toliau stimuliuoti smegenų organoidus, kad pamatytų, ar jie gali išsivystyti po devynių iki 10 mėnesių. Tyrėjai taip pat norėtų modeliuoti smegenų sutrikimus, pavyzdžiui, sukurdami smegenų organoidus su ląstelėmis, paimtomis iš autizmo turinčių vaikų, kad suprastų, kaip vystosi jų smegenų tinklai.
Išvados buvo paskelbtos šiandien (rugpjūčio 29 d.) Žurnale „Cell Stem Cell“.
