Ученые имплантировали фрагменты мозга человека в новорожденных крыс
Трехмерные органоиды, созданные из стволовых клеток и напоминающие упрощенную модель коры головного мозга человека, соединены и интегрированы с окружающей тканью в коре каждой крысы, образуя функциональную часть собственного мозга грызуна, проявляющую активность, связанную с сенсорным восприятием.
Это, по словам группы исследователей во главе с нейробиологом Серджиу Пашкой из Стэнфордского университета, преодолевает ограничения органоидов, выращенных на чашках, и дает нам новую платформу для моделирования развития и болезней человеческого мозга в живой системе.
«Большая часть работы, которую выполняет моя лаборатория, была мотивирована этой миссией — попытаться понять психические расстройства на биологическом уровне, чтобы мы действительно могли найти эффективные терапевтические средства», — пояснил Пашка на брифинге для прессы.
«Многие из этих психических расстройств, таких как аутизм и шизофрения, скорее всего, являются исключительно человеческими, или, по крайней мере, они связаны с уникальными особенностями человеческого мозга. вносили свой вклад в понимание биологии этих условий», — добавил он.
Слияние мозгов
В 2008 году ученые совершили прорыв: клетки мозга выросли из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Зрелые клетки, взятые у взрослых людей, подверглись реинжинирингу (или индуцированию), чтобы вернуть их в «пустое» состояние стволовых клеток — форму, которую клетки принимают перед тем, как превратиться в клетки со специализацией, такие как клетки кожи или клетки сердца.
Эти стволовые клетки затем направлялись для развития в клетки головного мозга, которые ученые культивировали для формирования комков мозгоподобной ткани, называемых органоидами. Эти модели ключевых областей анатомии мозга, таких как морщинистая внешняя кора, могут быть использованы для изучения функций и развития мозга вблизи.
Какими бы полезными они ни были, in vitro кортикальные органоиды имеют ограничения. Поскольку они не связаны с живыми системами, они не достигают полного созревания, что лишает исследователей возможности наблюдать, как они интегрируются с другими основными частями мозга.
Кроме того, органоид мозга в чашке не может выявить поведенческие последствия каких-либо дефектов, которые могли бы выявить ученые. Поскольку психические расстройства определяются поведением, это препятствует возможности идентифицировать физиологические характеристики этих расстройств.
В предыдущих исследованиях ученые пытались преодолеть эти препятствия, имплантируя органоиды человеческого мозга в мозг взрослых крыс. Из-за несоответствия развития трансплантаты не прижились: развивающиеся нейроны в органоиде не могли сформировать прочную связь с полностью развитой сетью мозга взрослой крысы.
Поэтому Пашка и его коллеги попытались кое-что другое: пересадить ткань человеческого мозга в мозг новорожденных крыс, чей собственный мозг еще не развился и не созрел.
Как прошел эксперимент
Органоиды коры головного мозга человека культивировали в чашке, а затем трансплантировали непосредственно в соматосенсорную кору (область мозга, отвечающую за получение и обработку сенсорной информации) крысятам всего несколько дней от роду. Затем этих крыс оставляли расти во взрослых особей еще на 140 дней (крысы становятся полностью половозрелыми между 6 и 12 неделями).
Затем ученые изучали грызунов. Они генетически сконструировали органоиды, чтобы они реагировали на симуляцию синего света, активируя нейроны, когда на них светит синий свет. Эта стимуляция нейронов человека проводилась, когда крыс обучали облизывать носик для получения воды. Позже, когда органоиды освещались синим светом, крысы автоматически облизывались, демонстрируя реакцию, не наблюдаемую в контрольных группах.
Это указывало на то, что органоид не только функционировал как часть мозга крысы, но и мог управлять поведением, направленным на поиск вознаграждения. Другая группа нейронов в органоиде показала активность, когда ученый толкнул крысу за усы, что свидетельствует о том, что нейроны могут реагировать на сенсорную стимуляцию.
Клетки мозга, культивированные у трех пациентов с генетическим заболеванием, называемым синдромом Тимоти, также использовались для некоторых органоидов. Синдром Тимоти поражает сердце, пальцы и нервную систему и обычно приводит к ранней смерти.
После поведенческих тестов крыс усыпили, извлекли и препарировали их мозг, что позволило исследователям наблюдать за интеграцией органоидов на клеточном уровне. Они обнаружили, что органоидные нейроны выросли намного больше, чем любые нейроны, выращенные in vitro, проникая в мозг крыс и образуя сети с нативными крысиными нейронами.
Нейроны у крыс с трансплантатами синдрома Тимоти имели менее сложную форму и образовывали другие синаптические связи с окружающей тканью мозга по сравнению с контрольными группами.