Η κατανόησή μας για τις εσωτερικές λειτουργίες του ανθρώπινου εγκεφάλου έχει καθυστερήσει εδώ και καιρό λόγω της πρακτικής και ηθικής δυσκολίας της παρατήρησης των ανθρώπινων νευρώνων να αναπτύσσονται, να συνδέονται και να αλληλεπιδρούν. Σήμερα, στο μια νέα μελέτη δημοσιευτηκε σε Φύση, νευροεπιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ με επικεφαλής Sergiu Paşca αναφέρουν ότι έχουν βρει έναν νέο τρόπο μελέτης των ανθρώπινων νευρώνων - μεταμοσχεύοντας ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό σε αρουραίους που είναι μόλις ημερών, όταν ο εγκέφαλός τους δεν έχει ακόμη πλήρως σχηματιστεί. Οι ερευνητές δείχνουν ότι οι ανθρώπινοι νευρώνες και άλλα εγκεφαλικά κύτταρα μπορούν να αναπτυχθούν και να ενσωματωθούν στον εγκέφαλο του αρουραίου, αποτελώντας μέρος του λειτουργικού νευρικού κυκλώματος που επεξεργάζεται τις αισθήσεις και ελέγχει πτυχές των συμπεριφορών.
Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, οι επιστήμονες θα πρέπει να είναι σε θέση να δημιουργήσουν νέα μοντέλα διαβίωσης για ένα ευρύ φάσμα νευροαναπτυξιακών διαταραχών, συμπεριλαμβανομένων τουλάχιστον ορισμένων μορφών διαταραχής του φάσματος του αυτισμού. Τα μοντέλα θα ήταν εξίσου πρακτικά για νευροεπιστημονικές εργαστηριακές μελέτες με τα σημερινά ζωικά μοντέλα, αλλά θα ήταν καλύτερα εφεδρικά για ανθρώπινες διαταραχές, επειδή θα αποτελούνταν από πραγματικά ανθρώπινα κύτταρα σε λειτουργικά νευρικά κυκλώματα. Θα μπορούσαν να είναι ιδανικοί στόχοι για σύγχρονα εργαλεία νευροεπιστήμης που είναι πολύ επεμβατικά για να χρησιμοποιηθούν σε πραγματικούς ανθρώπινους εγκεφάλους.
«Αυτή η προσέγγιση είναι ένα βήμα προς τα εμπρός για τον τομέα και προσφέρει έναν νέο τρόπο κατανόησης των διαταραχών της νευρωνικής λειτουργίας," είπε Μαντλίν Λάνκαστερ, νευροεπιστήμονας στο MRC Laboratory of Molecular Biology στο Cambridge, UK, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία.
Το έργο σηματοδοτεί επίσης ένα συναρπαστικό νέο κεφάλαιο στη χρήση των νευρικών οργανοειδών. Πριν από σχεδόν 15 χρόνια, οι βιολόγοι ανακάλυψαν ότι τα ανθρώπινα βλαστοκύτταρα μπορούσαν να αυτο-οργανωθούν και να αναπτυχθούν σε μικρές σφαίρες που συγκρατούσαν διαφορετικούς τύπους κυττάρων και έμοιαζαν με τον εγκεφαλικό ιστό. Αυτά τα οργανοειδή άνοιξαν ένα νέο παράθυρο στις δραστηριότητες των εγκεφαλικών κυττάρων, αλλά η θέα έχει τα όριά της. Ενώ οι νευρώνες σε ένα πιάτο μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους και να επικοινωνήσουν ηλεκτρικά, δεν μπορούν να σχηματίσουν πραγματικά λειτουργικά κυκλώματα ή να επιτύχουν την πλήρη ανάπτυξη και υπολογιστική ικανότητα υγιών νευρώνων στο φυσικό τους περιβάλλον, τον εγκέφαλο.
Πρωτοποριακή εργασία από διάφορες ερευνητικές ομάδες απέδειξαν πριν από χρόνια ότι τα οργανοειδή του ανθρώπινου εγκεφάλου μπορούσαν να εισαχθούν στον εγκέφαλο ενήλικων αρουραίων και να επιβιώσουν. Όμως, η νέα μελέτη δείχνει για πρώτη φορά ότι ο αναπτυσσόμενος εγκέφαλος ενός νεογέννητου αρουραίου θα δεχτεί ανθρώπινους νευρώνες και θα τους επιτρέψει να ωριμάσουν, ενώ θα τους ενσωματώσει σε τοπικά κυκλώματα ικανά να οδηγήσουν τη συμπεριφορά του αρουραίου.
Ο Paşca επεσήμανε ότι υπήρχαν «χίλιοι λόγοι να πιστεύουμε ότι αυτό δεν θα λειτουργούσε», δεδομένων των δραστικών διαφορών στο πώς και πότε αναπτύσσονται τα νευρικά συστήματα των δύο ειδών. Και όμως λειτούργησε, με τα ανθρώπινα κύτταρα να βρίσκουν τις ενδείξεις που χρειάζονταν για να κάνουν ουσιαστικές συνδέσεις.
«Αυτή είναι μια πολύ αναγκαία και κομψή μελέτη που οδηγεί το πεδίο προς τη σωστή κατεύθυνση αναζήτησης προσεγγίσεων για την προώθηση της φυσιολογικής συνάφειας των οργανοειδών του ανθρώπινου εγκεφάλου για τη μοντελοποίηση μεταγενέστερων σταδίων ανάπτυξης του ανθρώπινου εγκεφάλου», είπε. Giorgia Quadrato, νευροεπιστήμονας στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια.
Η κατανόηση των κυτταρικών και μοριακών διεργασιών που πάνε στραβά στους νευρώνες και οδηγούν σε εγκεφαλικές διαταραχές ήταν πάντα το κίνητρο του Paşca. [Σημείωση του συντάκτη: Βλ συνοδευτική συνέντευξη με τον Paşca για τη ζωή, την καριέρα και τα κίνητρα για τη δουλειά του.] Επειδή πολλές ψυχιατρικές και νευρολογικές διαταραχές ριζώνουν στον εγκέφαλο κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης - παρόλο που τα συμπτώματα μπορεί να εμφανιστούν χρόνια αργότερα - η παρακολούθηση του πώς αναπτύσσονται οι νευρώνες φαινόταν ως ο καλύτερος τρόπος για να γεμίσουμε τα κενά στην κατανόησή μας. Γι' αυτό ήταν ο στόχος του Paşca να μεταμοσχεύσει οργανοειδή ανθρώπινου εγκεφάλου σε νεογέννητους αρουραίους από τότε που άρχισε να εργάζεται με νευρώνες σε ένα πιάτο πριν από 13 χρόνια.
Στη νέα δουλειά — της οποίας επικεφαλής ήταν επίσης οι συνάδελφοι του Paşca στο Στάνφορντ Φελίσιτι Γκορ, Κέβιν Κέλι και Omer Revah (τώρα στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ) — η ομάδα εισήγαγε οργανοειδή φλοιώδους ανθρώπινου εγκεφάλου στον σωματοαισθητικό φλοιό πολύ νεαρών νεογνών αρουραίων, προτού δημιουργηθεί πλήρως το εγκεφαλικό κύκλωμα των νεογνών. Αυτό έδωσε στους ανθρώπινους νευρώνες την ευκαιρία να λάβουν συνδέσεις μεγάλης εμβέλειας από μια βασική περιοχή που επεξεργάζεται τις εισερχόμενες αισθητηριακές πληροφορίες. Στη συνέχεια, οι ερευνητές περίμεναν να δουν εάν το οργανοειδές θα αναπτυσσόταν σε συντονισμό με τον υπόλοιπο αναπτυσσόμενο εγκέφαλο του αρουραίου.
«Ανακαλύψαμε ότι αν βάλουμε το οργανοειδές σε εκείνο το πρώιμο στάδιο… μεγαλώνει έως και εννέα φορές μεγαλύτερο από ό,τι ήταν αρχικά σε μια περίοδο τεσσάρων ή πέντε μηνών», είπε ο Paşca. Αυτό μεταφράστηκε σε μια περιοχή ανθρώπινου εγκεφαλικού ιστού που κάλυπτε περίπου το ένα τρίτο ενός από τα ημισφαίρια του εγκεφάλου του αρουραίου.
Όμως, παρόλο που οι ανθρώπινοι νευρώνες παρέμειναν μαζί στην περιοχή του φλοιού όπου τοποθετήθηκαν χειρουργικά, οι ερευνητές απέδειξαν ότι έγιναν ενεργά μέρη του νευρικού κυκλώματος που βιδώνονταν βαθιά μέσα στον εγκέφαλο του αρουραίου. Οι περισσότεροι από τους μεταμοσχευμένους ανθρώπινους νευρώνες άρχισαν να ανταποκρίνονται σε αισθήσεις αφής από τα μουστάκια του αρουραίου: Όταν οι εισπνοές αέρα κατευθύνονταν στα μουστάκια, οι ανθρώπινοι νευρώνες έγιναν πιο ενεργοί ηλεκτρικά.
Ακόμη πιο εκπληκτικό, η ροή των νευρικών σημάτων θα μπορούσε επίσης να κινηθεί προς την άλλη κατεύθυνση και να επηρεάσει τη συμπεριφορά. Όταν οι ανθρώπινοι νευρώνες διεγέρθηκαν με μπλε φως (μέσω μιας τεχνικής που ονομάζεται οπτογενετική), προκάλεσε μια εξαρτημένη συμπεριφορά στους αρουραίους που τους έκανε να αναζητήσουν μια ανταμοιβή γλείφοντας πιο συχνά ένα μπουκάλι νερό.
«Αυτό σημαίνει ότι έχουμε πραγματικά ενσωματώσει ανθρώπινα κύτταρα στο κύκλωμα», είπε ο Paşca. «Δεν αλλάζει τα κυκλώματα. … Απλώς, τα ανθρώπινα κύτταρα αποτελούν πλέον μέρος του».
Τα μεταμοσχευμένα κύτταρα δεν μιμούνταν τέλεια τον ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό στο νέο τους περιβάλλον. Για παράδειγμα, δεν οργανώθηκαν στην ίδια πολυστρωματική δομή που φαίνεται στον ανθρώπινο φλοιό. (Ούτε ακολούθησαν το παράδειγμα των γύρω νευρώνων αρουραίου και σχημάτισαν τις κολώνες που μοιάζουν με βαρέλι, χαρακτηριστικές του σωματοαισθητηριακού φλοιού του αρουραίου.) Αλλά οι μεμονωμένοι μεταμοσχευμένοι νευρώνες διατήρησαν πολλές από τις φυσιολογικές ανθρώπινες ηλεκτρικές και δομικές ιδιότητες.
Τα κύτταρα εκμεταλλεύτηκαν ένα σημαντικό πλεονέκτημα της ύπαρξης μέσα στον εγκέφαλο: Συνδέθηκαν με επιτυχία με το αγγειακό σύστημα του εγκεφάλου του αρουραίου, επιτρέποντας στα αιμοφόρα αγγεία να διαπεράσουν τον ιστό για να παραδώσουν οξυγόνο και ορμόνες. Η έλλειψη παροχής αίματος πιστεύεται ότι είναι ο κύριος λόγος για τον οποίο οι ανθρώπινοι νευρώνες που αναπτύσσονται σε ένα πιάτο συνήθως αποτυγχάνουν να ωριμάσουν πλήρως, μαζί με την έλλειψη εισόδων νευρικού σήματος που πιθανώς χρειάζονται για να διαμορφώσουν την ανάπτυξη, εξήγησε ο Paşca. Όταν η ομάδα του συνέκρινε τους μεταμοσχευμένους ανθρώπινους νευρώνες με αυτούς που ζούσαν σε ένα πιάτο, διαπίστωσαν ότι οι μεταμοσχευμένοι νευρώνες ήταν έξι φορές μεγαλύτεροι, με μέγεθος και προφίλ ηλεκτρικής δραστηριότητας πιο κοντά σε εκείνους νευρώνων από φυσικό ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό.
«Υπάρχει κάτι στο περιβάλλον in vivo – έτσι, τα θρεπτικά συστατικά και τα ηλεκτρικά σήματα που λαμβάνουν στον εγκέφαλο – που φέρνει τα ανθρώπινα κύτταρα σε άλλο επίπεδο ωρίμανσης», είπε ο Paşca.
Επειδή οι ανθρώπινοι νευρώνες ωρίμασαν τόσο πολύ στους εγκεφάλους των αρουραίων, ο Paşca και οι συνεργάτες του μπορούσαν να δουν ασυνήθιστες διαφορές στην ανάπτυξη των εγκεφαλικών οργανοειδών που προέρχονται από άτομα με μια γενετική διαταραχή που ονομάζεται σύνδρομο Timothy, η οποία συχνά προκαλεί αυτισμό και επιληψία. Στους εγκεφάλους των αρουραίων, οι μεταμοσχευμένοι ανθρώπινοι νευρώνες που έφεραν γονίδια για το σύνδρομο Timothy αναπτύχθηκαν ανώμαλοι δενδριτικοί κλάδοι που έκαναν ασυνήθιστες συνδέσεις. Είναι κρίσιμο, ορισμένες από αυτές τις άτυπες εξελίξεις θα μπορούσαν να παρατηρηθούν μόνο σε ανθρώπινους νευρώνες που αναπτύσσονται εντός του φλοιού του αρουραίου και όχι σε οργανοειδείς νευρώνες σε ένα πιάτο.
Ο Paşca τονίζει ότι μέχρι τώρα, αυτοί οι τύποι λεπτών αλλαγών στους ώριμους νευρώνες που επηρεάζουν τη λειτουργία του εγκεφάλου και οδηγούν σε νευρολογικές και ψυχιατρικές διαταραχές ήταν σε μεγάλο βαθμό κρυμμένοι από εμάς.
«Τα αποτελέσματα είναι πολύ συναρπαστικά», είπε Μπένετ Νόβιτς, νευροεπιστήμονας και βιολόγος βλαστοκυττάρων στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες. Οι in vitro μελέτες των νευρικών ιστών θα εξακολουθούν να είναι πιο γρήγορες και πιο πρακτικές για πολλούς τύπους νευρολογικών μελετών και δοκιμών φαρμάκων, σημείωσε, αλλά η νέα εργασία «απεικονίζει πώς η αποκάλυψη των ώριμων χαρακτηριστικών των ανθρώπινων νευρώνων … εξακολουθεί να επιτυγχάνεται καλύτερα σε περιβάλλον in vivo .»
Ο Paşca ελπίζει ότι η δυνατότητα μελέτης ώριμων ανθρώπινων νευρώνων σε αρουραίους θα φέρει επιτέλους πιο κοντά τις θεραπείες για ψυχιατρικές διαταραχές και νευρολογικές παθήσεις. Και άλλοι στο χώρο είναι επίσης αισιόδοξοι. «Εάν αυτή η στρατηγική μεταμόσχευσης οργανοειδών μπορεί πραγματικά να μιμηθεί τις υπογραφές της νόσου, αυτό θα μπορούσε πραγματικά να επιταχύνει την πορεία μας προς τις θεραπείες», είπε. Τζόελ Μπλάνσαρντ, νευροεπιστήμονας στην Ιατρική Σχολή Icahn στο Όρος Σινά.
Η φύση της νέας εργασίας μπορεί να εγείρει ερωτήματα σχετικά με την ευημερία και την ηθική μεταχείριση των αρουραίων. Για το λόγο αυτό, ο Paşca και οι συνάδελφοί του είχαν ενεργές συζητήσεις με ηθικολόγους από την αρχή. Όπως σε όλα τα πειράματα με ζώα, υπήρχε νομική απαίτηση οι αρουραίοι να παρακολουθούνται εκτενώς από τεχνικούς εργαστηρίου με την εξουσία να διακόπτουν το πείραμα ανά πάσα στιγμή. Αλλά δεν βρέθηκαν διαφορές στους αρουραίους με μεταμοσχευμένα οργανοειδή ανθρώπινου εγκεφάλου σε μια σειρά από συμπεριφορικά και γνωστικά τεστ.
Insoo Hyun, ένας βιοηθικός που συνδέεται με το Κέντρο Βιοηθικής της Ιατρικής Σχολής του Χάρβαρντ, είπε ότι δεν έχει καμία ηθική ανησυχία για τα τρέχοντα πειράματα. Η ομάδα του Paşca ακολούθησε όλες τις οδηγίες που αναπτύχθηκαν από τη Διεθνή Εταιρεία για την Έρευνα Βλαστοκυττάρων που διέπουν την έρευνα με οργανοειδή ανθρώπινου εγκεφάλου και τη μεταφορά ανθρώπινων κυττάρων σε ζώα. «Για μένα, το θέμα είναι πραγματικά κατανοητό: πού πηγαίνεις από εκεί;» αυτός είπε.
Ο Hyun ανησυχεί περισσότερο για άλλες ερευνητικές ομάδες που μπορεί τώρα να ενδιαφερθούν για τη μεταμόσχευση οργανοειδών ανθρώπινου εγκεφάλου σε είδη πιο παρόμοια με το δικό μας, όπως τα μη ανθρώπινα πρωτεύοντα. «Θα έπρεπε να έχετε μια πολύ έντονη συζήτηση σε επίπεδο εποπτείας για το γιατί δικαιολογείστε να πάτε σε κάτι πιο περίπλοκο», είπε ο Hyun.
Ο Paşca λέει ότι αυτός και οι συνάδελφοί του δεν ενδιαφέρονται για τέτοια πειράματα ώθησης ορίων. Πιστεύει επίσης ότι η δυσκολία ανάπτυξης και διατήρησης οργανοειδών για μεταμόσχευση θα περιορίσει τις περισσότερες δυνητικά απερίσκεπτες έρευνες. «Υπάρχουν λίγα μέρη με την υποδομή και την τεχνογνωσία που χρειάζονται για να γίνει αυτό», είπε.
Οι πιο άμεσες και πρακτικές επιστημονικές προκλήσεις έγκεινται στη βελτίωση των οργανοειδών του ανθρώπινου εγκεφάλου που μεταμοσχεύονται σε αρουραίους. Αναμφισβήτητα, υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος. Από τον ανθρώπινο εγκεφαλικό ιστό λείπουν επί του παρόντος πολλά σημαντικά εγκεφαλικά κύτταρα πέρα από τους νευρώνες, όπως μικρογλοία και αστροκύτταρα, καθώς και νευρώνες που εμπλέκονται στην αναστολή της δραστηριότητας άλλων νευρώνων. Η ομάδα του Paşca εργάζεται επί του παρόντος σε πειράματα που θα μεταμοσχεύουν "συναρμολογοειδή" - σύνολα οργανοειδών που αντιπροσωπεύουν διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου των οποίων τα κύτταρα μεταναστεύουν και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
Μπορεί να υπάρχουν όρια στο πόσο μπορούν να εφαρμοστούν τα ευρήματα από τους ανθρώπινους νευρώνες σε έναν εγκέφαλο αρουραίου σε έναν φυσικό ανθρώπινο εγκέφαλο. Οι αρουραίοι που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις μελέτες μεταμόσχευσης γεννιούνται με ελαττωματικό ανοσοποιητικό σύστημα, λόγω γενετικής μετάλλαξης. Αυτό τα καθιστά κατάλληλα για μεταμοσχεύσεις, καθώς το ανοσοποιητικό τους σύστημα είναι λιγότερο πιθανό να απορρίψει τα εμφυτευμένα ανθρώπινα κύτταρα. Αλλά σημαίνει επίσης ότι οι μελέτες νευροεκφυλιστικών ασθενειών όπως το Αλτσχάιμερ που είναι γνωστό ότι έχουν ανοσολογικά συστατικά μπορεί να είναι πιο δύσκολες. Και ανεξάρτητα από το πόσο ρεαλιστικά είναι τα μεταμοσχευμένα οργανοειδή ανθρώπινου εγκεφάλου, όσο βρίσκονται σε εγκέφαλο αρουραίου, θα εκτεθούν σε αίμα αρουραίου, με το μοναδικό του προφίλ θρεπτικών ουσιών και ορμονών, αντί για ανθρώπινο αίμα. Οι νευροεπιστήμονες μπορεί επομένως να μελετούν συστήματα που υπολείπονται κάπως από την πραγματικότητα μέσα στο ανθρώπινο κρανίο.
Αλλά για τον Paşca, αυτό το νέο σύστημα προσφέρει την ευκαιρία να έρθει πιο κοντά από ποτέ στη βασική αλήθεια για το πώς οι αλλοιωμένες νευροβιολογικές διεργασίες προκαλούν νευρολογικές και ψυχιατρικές διαταραχές. Η μεταμόσχευση οργανοειδών σε νεογέννητους αρουραίους προσφέρει τελικά έναν τρόπο να αξιοποιηθεί η πλήρης δύναμη των σύγχρονων εργαλείων νευροεπιστήμης στην έρευνα για την ανάπτυξη ανθρώπινων νευρώνων και κυκλωμάτων.
«Δύσκολα προβλήματα, όπως η κατανόηση ψυχιατρικών διαταραχών που είναι μοναδικά ανθρώπινες καταστάσεις, θα απαιτήσουν τολμηρές προσεγγίσεις», είπε ο Paşca.
