Vores forståelse af den menneskelige hjernes indre funktion har længe været holdt tilbage af den praktiske og etiske vanskelighed ved at observere menneskelige neuroner udvikle, forbinde og interagere. I dag, i en ny undersøgelse offentliggjort i Natur, neuroforskere ved Stanford University ledet af Sergiu Paşca rapporterer, at de har fundet en ny måde at studere menneskelige neuroner på - ved at transplantere menneskeligt hjernelignende væv til rotter, der kun er dage gamle, når deres hjerner endnu ikke er helt dannet. Forskerne viser, at menneskelige neuroner og andre hjerneceller kan vokse og integrere sig i rottens hjerne og blive en del af det funktionelle neurale kredsløb, der behandler fornemmelser og kontrollerer aspekter af adfærd.
Ved at bruge denne teknik burde forskere være i stand til at skabe nye levende modeller for en bred vifte af neuroudviklingsforstyrrelser, herunder i det mindste nogle former for autismespektrumforstyrrelser. Modellerne ville være lige så praktiske til neurovidenskabelige laboratorieundersøgelser, som nuværende dyremodeller er, men ville være bedre stand-ins for menneskelige lidelser, fordi de ville bestå af rigtige menneskelige celler i funktionelle neurale kredsløb. De kunne være ideelle mål for moderne neurovidenskabelige værktøjer, der er for invasive til at bruge i rigtige menneskelige hjerner.
"Denne tilgang er et skridt fremad for feltet og tilbyder en ny måde at forstå forstyrrelser i neuronal funktion," sagde Madeline Lancaster, en neurovidenskabsmand ved MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, Storbritannien, som ikke var involveret i arbejdet.
Værket markerer også et spændende nyt kapitel i brugen af neurale organoider. For næsten 15 år siden opdagede biologer, at menneskelige stamceller kunne selvorganisere sig og vokse til små kugler, der rummede forskellige typer celler og lignede hjernevæv. Disse organoider åbnede et nyt vindue til hjernecellernes aktiviteter, men udsigten har sine begrænsninger. Mens neuroner i en skål kan forbindes til hinanden og kommunikere elektrisk, kan de ikke danne virkeligt funktionelle kredsløb eller opnå den fulde vækst og beregningsmæssige dygtighed af sunde neuroner i deres naturlige habitat, hjernen.
Banebrydende arbejde af forskellige forskningsgrupper bevist for år tilbage, at menneskelige hjerneorganoider kunne indsættes i voksne rotters hjerner og overleve. Men den nye undersøgelse viser for første gang, at den spirende hjerne hos en nyfødt rotte vil acceptere menneskelige neuroner og tillade dem at modnes, samtidig med at de integreres i lokale kredsløb, der er i stand til at drive rottens adfærd.
Paşca påpegede, at der var "tusind grunde til at tro, at det ikke ville virke," i betragtning af de drastiske forskelle i, hvordan og hvornår nervesystemerne hos de to arter udvikler sig. Og alligevel virkede det, idet de menneskelige celler fandt de spor, de havde brug for for at skabe vigtige forbindelser.
"Dette er en meget tiltrængt og elegant undersøgelse, der styrer feltet i den rigtige retning for at lede efter tilgange til at fremme den fysiologiske relevans af menneskelige hjerneorganoider til at modellere senere stadier af menneskelig hjerneudvikling," sagde Giorgia Quadrato, en neuroforsker ved University of Southern California.
At forstå de cellulære og molekylære processer, der går skævt i neuroner og fører til hjernesygdomme, har altid været Paşcas motivation. [Redaktørens note: Se medfølgende interview med Paşca om hans liv, karriere og motivation for hans arbejde.] Fordi mange psykiatriske og neurologiske lidelser slår rod i hjernen under udviklingen - selvom symptomerne måske ikke dukker op før år senere - har det at se, hvordan neuroner udvikler sig, virket som den bedste måde at udfylde hulrummene i vores forståelse. Det er derfor, det har været Paşcas mål at transplantere menneskelige hjerneorganoider til nyfødte rotter, lige siden han begyndte at arbejde med neuroner i en skål for 13 år siden.
I det nye værk — som også blev ledet af Paşcas Stanford-kolleger Felicity Gore, Kevin Kelley og Omer Revah (nu ved det hebraiske universitet i Jerusalem) - holdet indsatte corticale menneskelige hjerneorganoider i den somatosensoriske cortex hos meget unge rotteunger, før hvalpenes hjernekredsløb var fuldt etableret. Dette gav de menneskelige neuroner en chance for at modtage langdistanceforbindelser fra en nøgleregion, der behandler indkommende sensorisk information. Derefter ventede forskerne på, om organoiden ville vokse sammen med resten af rottens udviklende hjerne.
"Vi opdagede, at hvis vi satte organoiden i på det tidlige stadium ... vokser den op til ni gange større, end den oprindeligt var over en periode på fire eller fem måneder," sagde Paşca. Det oversat til et område med menneskelignende hjernevæv, der dækkede omkring en tredjedel af en af rottens hjernehalvdele.
Men selvom de menneskelige neuroner forblev sammen i det kortikale område, hvor de blev kirurgisk placeret, viste forskerne, at de blev aktive dele af det neurale kredsløb, der var trådt dybt inde i rottens hjerne. De fleste af de transplanterede menneskelige neuroner begyndte at reagere på berøringsfornemmelser fra rottens knurhår: Når luftpust blev rettet mod knurhårene, blev de menneskelige neuroner mere elektrisk aktive.
Endnu mere overraskende kan strømmen af neurale signaler også løbe i den anden retning og påvirke adfærd. Når de menneskelige neuroner blev stimuleret med blåt lys (gennem en teknik kaldet optogenetik), udløste det en betinget adfærd hos rotterne, der fik dem til at søge en belønning ved at slikke oftere på en vandflaske.
"Det betyder, at vi faktisk har integreret menneskelige celler i kredsløbet," sagde Paşca. "Det ændrer ikke kredsløbene. … Det er bare, at menneskelige celler nu er en del af det.”
De transplanterede celler efterlignede ikke perfekt menneskelig hjernevæv i deres nye omgivelser. For eksempel organiserede de sig ikke i den samme flerlagede struktur, som ses i den menneskelige cortex. (De fulgte heller ikke føringen af omgivende rotte-neuroner og dannede de tøndelignende søjler, der er karakteristiske for rottens somatosensoriske cortex.) Men de individuelle transplanterede neuroner beholdt mange af de normale menneskelige elektriske og strukturelle egenskaber.
Cellerne udnyttede en stor fordel ved at være inde i en hjerne: De blev med succes forbundet med rottehjernens vaskulære system, hvilket tillod blodkar at gennemtrænge vævet for at levere ilt og hormoner. Manglen på en blodforsyning menes at være en væsentlig årsag til, at menneskelige neuroner, der vokser i en skål, rutinemæssigt ikke modnes fuldt ud, sammen med en mangel på neurale signalinput, der sandsynligvis er nødvendige for at forme udviklingen, forklarede Paşca. Da hans team sammenlignede de transplanterede menneskelige neuroner med dem, der bor i en skål, fandt de ud af, at de transplanterede neuroner var seks gange større, med en størrelse og elektrisk aktivitetsprofil tættere på neuroner fra naturligt menneskeligt hjernevæv.
"Der er noget ved in vivo-miljøet - så de næringsstoffer og elektriske signaler, som de modtager i hjernen - der bringer menneskelige celler til et andet niveau af modning," sagde Paşca.
Fordi de menneskelige neuroner modnes så meget i rottehjernerne, kunne Paşca og hans kolleger se usædvanlige forskelle i udviklingen af hjerneorganoider afledt af mennesker med en genetisk lidelse kaldet Timothy syndrom, som ofte forårsager autisme og epilepsi. I rottehjernerne voksede de transplanterede menneskelige neuroner, der bærer gener for Timothy syndrom, unormale dendritiske grene, der skabte usædvanlige forbindelser. Det er afgørende, at nogle af disse atypiske udviklinger kun kunne ses i menneskelige neuroner, der voksede i rottebarken, og ikke i organoide neuroner i en skål.
Paşca understreger, at indtil nu har disse typer af subtile ændringer i modnende neuroner, der påvirker hjernefunktionen og fører til neurologiske og psykiatriske lidelser, stort set været skjult for os.
"Resultaterne er meget spændende," sagde Bennett Novitch, neuroforsker og stamcellebiolog ved University of California, Los Angeles. In vitro undersøgelser af neurale væv vil stadig være hurtigere og mere praktiske for mange typer neurologiske undersøgelser og lægemiddeltests, bemærkede han, men det nye papir "illustrerer, hvordan afsløring af de modne karakteristika af menneskelige neuroner ... stadig bedst opnås i in vivo-miljøet ."
Paşca håber, at det at kunne studere modne menneskelige neuroner i rotter endelig vil bringe behandlinger for psykiatriske lidelser og neurologiske tilstande tættere på. Andre i feltet er også håbefulde. "Hvis denne organoid-transplantationsstrategi virkelig kan efterligne sygdomssignaturer, kan dette virkelig accelerere vores vej mod helbredelse," sagde Joel Blanchard, en neurovidenskabsmand ved Icahn School of Medicine ved Sinai-bjerget.
Karakteren af det nye arbejde kan rejse spørgsmål om rotternes velfærd og etiske behandling. Af den grund har Paşca og hans kolleger ført aktive diskussioner med etikere fra begyndelsen. Som i alle forsøg, der involverede dyr, var der et lovkrav om, at rotterne skulle overvåges grundigt af laboratorieteknikere med bemyndigelse til at stoppe forsøget til enhver tid. Men der blev ikke fundet nogen forskelle hos rotter med transplanterede menneskelige hjerneorganoider i en række adfærdsmæssige og kognitive tests.
Insoo Hyun, en bioetiker tilknyttet Harvard Medical Schools Center for Bioetik, sagde, at han ikke har nogen etiske bekymringer om de nuværende eksperimenter. Paşcas team fulgte alle retningslinjerne udviklet af International Society for Stem Cell Research, der styrer forskning med menneskelige hjerneorganoider og overførsel af menneskelige celler til dyr. "For mig er spørgsmålet virkelig forståelse: Hvor går du hen derfra?" han sagde.
Hyun er mere bekymret over andre forskerhold, der nu kan blive interesseret i at transplantere menneskelige hjerneorganoider til arter, der ligner vores egen, såsom ikke-menneskelige primater. "Du ville være nødt til at have en meget intens samtale på tilsynsniveau om, hvorfor du er berettiget til at gå til noget mere komplekst," sagde Hyun.
Paşca siger, at han og hans kolleger ikke har nogen interesse i sådanne grænseoverskridende eksperimenter. Han mener også, at vanskeligheden ved at dyrke og opretholde organoider til transplantation vil bremse den mest potentielt hensynsløse forskning. "Der er få steder med den nødvendige infrastruktur og ekspertise til at gøre dette," sagde han.
De mere umiddelbare og praktiske videnskabelige udfordringer ligger i at forbedre de menneskelige hjerneorganoider, der bliver transplanteret til rotter. Der er utvivlsomt lang vej endnu. Det menneskelige hjernelignende væv mangler i øjeblikket mange vigtige hjerneceller ud over neuroner, såsom mikroglia og astrocytter, såvel som neuroner, der er involveret i at hæmme aktiviteten af andre neuroner. Paşcas team arbejder i øjeblikket på eksperimenter, der vil transplantere "assembloids" - sæt af organoider, der repræsenterer forskellige hjerneregioner, hvis celler migrerer og interagerer med hinanden.
Der kan være grænser for, hvor meget resultaterne fra menneskelige neuroner i en rottehjerne kan gælde for en naturlig menneskelig hjerne. Rotterne brugt i disse transplantationsundersøgelser er født med et defekt immunsystem på grund af en genetisk mutation. Det gør dem velegnede til transplantationer, da deres immunsystem er mindre tilbøjelige til at afvise de implanterede humane celler. Men det betyder også, at undersøgelser af neurodegenerative sygdomme som Alzheimers, der vides at have immunkomponenter, kan være vanskeligere. Og uanset hvor realistiske de transplanterede menneskelige hjerneorganoider bliver, så længe de er i en rottehjerne, vil de blive udsat for rotteblod, med dets unikke profil af næringsstoffer og hormoner, snarere end menneskeblod. Neurovidenskabsmænd studerer muligvis systemer, der ikke lever op til virkeligheden i det menneskelige kranium.
Men for Paşca giver dette nye system mulighed for at komme tættere end nogensinde på sandheden om, hvordan ændrede neurobiologiske processer forårsager neurologiske og psykiatriske lidelser. Transplantation af organoider til nyfødte rotter tilbyder endelig en måde at anvende den fulde styrke af moderne neurovidenskabelige værktøjer i forskning i udviklingen af menneskelige neuroner og kredsløb.
"Vanskelige problemer, såsom at forstå psykiatriske lidelser, der er unikke menneskelige tilstande, vil kræve dristige tilgange," sagde Paşca.
