Учените създали миниатюрни мозъци в лабораторията, които образували сложни мрежи и произвеждали мозъчни вълни, подобни на тези, изстреляни от развиващия се мозък на недоносено човешко бебе, според ново проучване.
Идеята за отглеждане на миниатюрни мозъци в лабораторията не е нова; изследователите правят това от близо десетилетие. Но повечето проучвания са използвали тези мини мозъци или "органоиди" за изследване на мащабна структура.
Например, една група разработи мини мозъци, които могат да растат кръвоносни съдове, съобщава Live Science по-рано. Друга група изложи мини мозъци на вируса Zika, за да разбере как може да доведе до необичайно малки глави или микроцефалия.
Но при състояния като аутизъм, шизофрения, биполярно разстройство и дори депресия "мозъкът е непокътнат и проблемът разчита на операциите на мрежата", каза старши автор на проучването Alysson Muotri, доцент в катедрата по клетъчна и молекулярна медицина и директорът на програмата за стволови клетки в Калифорнийския университет, Сан Диего. Това е първият път, когато отглежданите в лаборатория мозъци са образували сложни мрежи от неврони, които произвеждат силни мозъчни вълни.
За да направите това, Муотри и неговият екип добиват човешки стволови клетки - които могат да се превърнат във всеки клетъчен тип, като се получат правилните инструкции - получени от кожата и кръвта на хората. Изследователите изложиха тези стволови клетки на химически инструкции, които биха превърнали клетките в мозъчни клетки.
В по-голямата си част тези клетки образуват неврални прогениторни клетки, специфични за мозъка клетки, които могат да се размножават и пораждат много видове мозъчни клетки. След два до пет месеца в лабораторна чиния, тези клетки-предшественици образуват глутаматергични неврони, мозъчни клетки, които са "възбудителни", или такива, които разпространяват информация.
След около четири месеца мини мозъците спряха да правят възбуждащи неврони и започнаха да правят астроцити. Тези мозъчни клетки помагат за оформянето на синапси, пропуските между мозъчните клетки, където невротрансмитерите или мозъчните химикали предават информация. И накрая, клетките-предшественици започнаха да правят инхибиторни неврони, които угасват мозъчната дейност или спират невроните да предават информация. Тогава "дейността започва да става по-сложна, защото сега балансираме възбуждането и инхибирането", каза Муотри.
Докато клетките се деляха и диференцираха, в крайна сметка те започнаха да се „самоорганизират в нещо, което наподобява човешкия кортекс“, каза Муотри. Кората е външният слой на мозъка, който играе важна роля в съзнанието.
„Мини мозъците“ всъщност не приличат на миниатюрни версии на човешки мозъци. По-скоро това са бели, сферични петна, които плуват в червеникавата супа, в която са отгледани, каза Муотри. Те са израснали до 0,2 инча (0,5 сантиметра) в диаметър, но техните невронни мрежи продължават да се развиват в продължение на девет до 10 месеца, преди да спрат, каза той.
По време на растежа на мини мозъците, екипът използва набор от малки електроди, които се свързват с неврони, за да измерват мозъчната активност. Изследователите установили, че на около два месеца невроните в мини мозъците започнали да излъчват спорадични сигнали, всички с еднаква честота. След още няколко месеца развитие, мозъците изстрелват сигнали с различна честота и по-редовно, което показва по-сложна мозъчна дейност, каза Muotri.
Докато предишните проучвания показват, че мини, произведени в лаборатория, мозъци могат да произвеждат изстрели в мозъчните клетки, изследователите съобщават, че стрелят около 3 000 пъти в минута, каза Muotri. В това проучване обаче невроните изстрелват близо 300 000 пъти в минута, което е "по-близо до човешкия мозък", каза той.
След това екипът използва алгоритъм за машинно обучение, за да сравнява мозъчната активност на тези мини мозъци с тази на недоносените човешки бебета. Изследователите обучиха своята програма, за да научат мозъчните вълни, записани от 39 недоносени деца на възраст между 6 и 9 и половина месеца.
След това учените въведоха в алгоритъма моделите на мозъчната вълна от мини мозъка и установиха, че след 25 седмици на развитие на мини мозъка, той вече не може да различи данните, идващи от човешкия мозък, от тези, получени от отглеждания в лабораторията мозък. "Той се обърква и дава еднаква възраст и на двамата", което подсказва, че мини мозъците и човешките мозъци растяха и се развиват по подобен начин, каза Муотри.
Това проучване показва "много хубаво, че можете да направите тази възпроизводима експериментална система, в която можете да адресирате процеси, които са толкова основни за развитието на човек", каза д-р Томас Хартюнг, директор на Центъра за алтернативи на тестването на животни Джонс Хопкинс. който също е работил върху разработването на мини-мозъци в лабораторията, но който не е бил част от изследването.
"Недостъпността на ембрионалния мозък е една от причините тези модели да предлагат нещо различно", каза той. "Но това също означава, че имате много ограничени възможности да кажете, че това е истинското нещо." Въпреки че ЕЕГ сигналите са сходни с тези на недоносените бебета, те са леко изключени във времето, добави той.
Докато човешки ембрион е свързан с майката и по този начин получава сигнали отвън, тези мозъци, отглеждани в лаборатория, не са свързани с нищо. "Тези клетки нямат никакъв вход или няма изход, те не могат да разпознаят нищо, което се случва в света", каза Хартюнг. Така че те "определено не са" в съзнание.
За това биха се съгласили повечето учени, но „трудно е да се каже“, каза Муотри. "Ние невролозите дори не сме съгласни какви са измерванията, които човек може да направи, за да проучи дали е в съзнание или не."
Човешкият мозък изпраща своите сигнали, за да ни помогне да взаимодействаме с околната си среда. Например, ние гледаме на бъг, очите изпращат сигнали до мозъчните клетки, които сигнализират една към друга и ни уведомяват, че виждаме бъг.
И така, защо тези отглеждани в лаборатория мозъци изпращат сигнали? За какво може да се говори? "Това е въпрос, който не знаем, тъй като мозъкът на ембриона наистина е черна кутия", каза Муотри. Изглежда, че повечето от сигналите в тези ранни етапи включват инструкции за „самостоятелна жица“ или свързване помежду си, каза той.
Във всеки случай той каза, че се надява проучвания като това да ни помогнат да разберем как ранното свързване на мозъка поражда сложните ни мозъци и какво се случва, когато това окабеляване се обърка.
Муотри и неговият екип заявиха, че сега се надяват да стимулират мозъчните органоиди допълнително, за да видят дали могат да се развият след девет до 10 месеца. Изследователите биха искали също да моделират мозъчни разстройства, например чрез създаване на мозъчни органоиди с клетки, взети от деца с аутизъм, за да разберат как се развиват техните мозъчни мрежи.
Резултатите бяха публикувани днес (29 август) в списанието Cell Stem Cell.
