درک ما از عملکرد درونی مغز انسان مدت هاست که به دلیل دشواری عملی و اخلاقی مشاهده رشد، اتصال و تعامل نورون های انسانی متوقف شده است. امروز، در یک مطالعه جدید منتشر شده در طبیعت، عصب شناسان دانشگاه استنفورد به رهبری سرجیو پسکا گزارش می دهند که آنها راه جدیدی برای مطالعه نورون های انسان یافته اند - با پیوند بافت مغز انسان به موش هایی که فقط چند روز از عمرشان می گذرد، زمانی که مغز آنها هنوز به طور کامل شکل نگرفته است. محققان نشان می‌دهند که نورون‌های انسان و سایر سلول‌های مغزی می‌توانند رشد کرده و خود را در مغز موش ادغام کنند و به بخشی از مدار عصبی عملکردی تبدیل شوند که احساسات را پردازش کرده و جنبه‌های رفتاری را کنترل می‌کند.
با استفاده از این تکنیک، دانشمندان باید بتوانند مدل‌های زندگی جدیدی برای طیف وسیعی از اختلالات رشد عصبی، از جمله حداقل برخی از اشکال اختلال طیف اوتیسم، ایجاد کنند. این مدل‌ها به همان اندازه که مدل‌های حیوانی فعلی برای مطالعات آزمایشگاهی علوم اعصاب کاربردی هستند، اما برای اختلالات انسانی بهتر است زیرا از سلول‌های انسانی واقعی در مدارهای عصبی عملکردی تشکیل شده‌اند. آنها می توانند اهداف ایده آلی برای ابزارهای علوم اعصاب مدرن باشند که برای استفاده در مغز واقعی انسان بسیار تهاجمی هستند.
این رویکرد گامی رو به جلو برای این رشته است و راهی جدید برای درک اختلالات عملکرد عصبی ارائه می دهد,گفت: "گفت مادلین لنکستر، یک عصب شناس در آزمایشگاه بیولوژی مولکولی MRC در کمبریج، انگلستان، که در این کار دخالتی نداشت.
این کار همچنین فصل جدید هیجان انگیزی را در استفاده از ارگانوئیدهای عصبی نشان می دهد. تقریباً 15 سال پیش، زیست شناسان کشف کردند که سلول های بنیادی انسان می توانند خود سازماندهی شوند و به کره های کوچکی تبدیل شوند که انواع مختلفی از سلول ها را در خود جای می دهند و شبیه بافت مغز هستند. این ارگانوئیدها دریچه جدیدی را به روی فعالیت سلول های مغز باز کردند، اما این دیدگاه محدودیت هایی دارد. در حالی که نورون‌های یک ظرف می‌توانند به یکدیگر متصل شوند و به صورت الکتریکی ارتباط برقرار کنند، نمی‌توانند مدارهای واقعاً کاربردی را تشکیل دهند یا به رشد کامل و قدرت محاسباتی نورون‌های سالم در زیستگاه طبیعی خود یعنی مغز دست یابند.
کار پیشگام سال‌ها پیش توسط گروه‌های تحقیقاتی مختلف ثابت شد که ارگانوئیدهای مغز انسان را می‌توان به مغز موش‌های بالغ وارد کرد و زنده ماند. اما مطالعه جدید برای اولین بار نشان می دهد که مغز در حال رشد یک موش تازه متولد شده نورون های انسانی را می پذیرد و به آنها اجازه بلوغ می دهد و در عین حال آنها را در مدارهای محلی که قادر به هدایت رفتار موش هستند ادغام می کند.
پسکا خاطرنشان کرد که با توجه به تفاوت‌های شدید در نحوه و زمان توسعه سیستم عصبی این دو گونه، «هزار دلیل برای این باور وجود دارد که کارساز نیست». و با این حال، با سلول‌های انسانی سرنخ‌هایی را که برای ایجاد ارتباطات ضروری نیاز داشتند، پیدا کردند.
گفت: "این یک مطالعه بسیار مورد نیاز و ظریف است که میدان را در جهت درست به دنبال رویکردهایی برای پیشبرد ارتباط فیزیولوژیکی ارگانوئیدهای مغز انسان برای مدل سازی مراحل بعدی رشد مغز انسان هدایت می کند." جورجیا کوادراتو، یک عصب شناس در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی.
درک فرآیندهای سلولی و مولکولی که در نورون‌ها به اشتباه می‌افتند و منجر به اختلالات مغزی می‌شوند، همیشه انگیزه پشکا بوده است. [یادداشت سردبیر: ببینید مصاحبه همراه با پسکا در مورد زندگی، حرفه و انگیزه های کارش.] از آنجا که بسیاری از اختلالات روانی و عصبی در طول رشد در مغز ریشه می‌کنند - حتی اگر علائم ممکن است تا سال‌ها بعد ظاهر نشوند - تماشای چگونگی رشد نورون‌ها بهترین راه برای پر کردن خلاءها در درک ما به نظر می‌رسد. به همین دلیل است که پسکا از ۱۳ سال پیش که شروع به کار با سلول‌های عصبی در ظرفی کرد، هدفش پیوند ارگانوئیدهای مغز انسان به موش‌های تازه متولد شده بود.
در کار جدید - که توسط همکاران استنفورد پسکا نیز رهبری می شد فلیسیتی گور, کوین کللی و Omer Revah (اکنون در دانشگاه عبری اورشلیم) - این تیم ارگانوئیدهای مغزی قشری انسان را در قشر حسی جسمی موش‌های بسیار جوان، قبل از اینکه مدار مغزی توله‌ها به طور کامل ایجاد شود، وارد کردند. این به نورون های انسانی فرصتی برای دریافت اتصالات دوربرد از یک منطقه کلیدی که اطلاعات حسی دریافتی را پردازش می کند، داد. سپس محققان منتظر ماندند تا ببینند آیا این ارگانوئید در هماهنگی با بقیه مغز در حال رشد موش رشد خواهد کرد یا خیر.
پسکا گفت: "ما کشف کردیم که اگر ارگانوئید را در همان مرحله اولیه قرار دهیم ... تا نه برابر بزرگتر از آنچه در ابتدا بود در یک دوره چهار یا پنج ماهه رشد می کند." این به ناحیه ای از بافت مغزی انسان مانند که حدود یک سوم نیمکره مغز یکی از موش ها را پوشانده بود، ترجمه شد.
اما حتی با وجود اینکه نورون‌های انسان در ناحیه قشری که در آن تحت عمل جراحی قرار گرفته بودند، کنار هم می‌ماندند، محققان نشان دادند که آنها به بخش‌های فعال مدار عصبی در اعماق مغز موش تبدیل شده‌اند. بیشتر نورون‌های انسانی پیوند شده به لمس سبیل‌های موش پاسخ دادند: وقتی هوا به سمت سبیل‌ها می‌رفت، نورون‌های انسان از نظر الکتریکی فعال‌تر شدند.
حتی شگفت‌آورتر اینکه، جریان سیگنال‌های عصبی نیز می‌تواند در جهت دیگری حرکت کند و بر رفتار تأثیر بگذارد. هنگامی که نورون‌های انسانی با نور آبی (از طریق تکنیکی به نام اپتوژنتیک) تحریک شدند، باعث ایجاد یک رفتار مشروط در موش‌ها شد که باعث شد با لیسیدن بیشتر بطری‌های آب به دنبال پاداش باشند.
پسکا گفت: «این بدان معناست که ما در واقع سلول های انسانی را در مدار ادغام کرده ایم. "این مدارها را تغییر نمی دهد. ... فقط سلول های انسانی اکنون بخشی از آن هستند."
سلول‌های پیوندی کاملاً شبیه بافت مغز انسان در محیط جدید خود نبودند. به عنوان مثال، آنها خود را در همان ساختار چندلایه ای که در قشر انسان دیده می شود، سازماندهی نکردند. (و نه از نورون‌های اطراف موش پیروی می‌کردند و ستون‌های بشکه‌مانند مشخصه قشر حسی جسمی موش را تشکیل می‌دادند.) اما تک تک سلول‌های عصبی پیوندی بسیاری از خواص الکتریکی و ساختاری طبیعی انسان را حفظ کردند.
سلول‌ها از یک مزیت اصلی در داخل مغز بهره بردند: آنها با موفقیت با سیستم عروقی مغز موش‌ها پیوند خوردند و به رگ‌های خونی اجازه دادند تا در بافت نفوذ کنند و اکسیژن و هورمون‌ها را تحویل دهند. پسکا توضیح داد که تصور می‌شود کمبود خون یکی از دلایل اصلی این است که سلول‌های عصبی انسان که در یک ظرف رشد می‌کنند به طور معمول به بلوغ کامل نمی‌رسند، همراه با کمبود ورودی‌های سیگنال عصبی که احتمالاً برای شکل‌دهی به رشد مورد نیاز است. وقتی تیم او نورون‌های انسانی پیوند شده را با نورون‌هایی که در یک ظرف زندگی می‌کردند مقایسه کردند، متوجه شدند که نورون‌های پیوند شده شش برابر بزرگتر بودند، با اندازه و مشخصات فعالیت الکتریکی نزدیک‌تر به نورون‌های بافت طبیعی مغز انسان.
پسکا گفت: «چیزی در مورد محیط in vivo وجود دارد - بنابراین، مواد مغذی و سیگنال های الکتریکی که آنها در مغز دریافت می کنند - که سلول های انسانی را به سطح دیگری از بلوغ می رساند.
از آنجایی که نورون‌های انسان در مغز موش‌ها بسیار بالغ شده‌اند، پشکا و همکارانش می‌توانند تفاوت‌های غیرعادی را در رشد ارگانوئیدهای مغزی حاصل از افراد مبتلا به یک اختلال ژنتیکی به نام سندرم تیموتی، که اغلب باعث اوتیسم و صرع می‌شود، ببینند. در مغز موش‌های صحرایی، نورون‌های پیوندی انسانی حامل ژن‌های سندرم تیموتی، شاخه‌های دندریتی غیرطبیعی رشد کردند که اتصالات غیرعادی ایجاد کردند. مهمتر از همه، برخی از این پیشرفت های غیر معمول را می توان فقط در نورون های انسانی که در قشر موش رشد می کنند، و نه در نورون های ارگانوئیدی در یک ظرف مشاهده کرد.
پسکا تاکید می کند که تا کنون، این نوع تغییرات ظریف در سلول های عصبی در حال بلوغ که بر عملکرد مغز تأثیر می گذارد و منجر به اختلالات عصبی و روانی می شود، تا حد زیادی از ما پنهان بوده است.
گفت: نتایج بسیار هیجان انگیز است بنت نوویچ، عصب شناس و زیست شناس سلول های بنیادی در دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس. او خاطرنشان کرد: مطالعات آزمایشگاهی بافت‌های عصبی همچنان برای بسیاری از انواع مطالعات عصبی و آزمایش‌های دارویی سریع‌تر و کاربردی‌تر خواهد بود، اما مقاله جدید «نشان می‌دهد که چگونه آشکار کردن ویژگی‌های بالغ نورون‌های انسانی ... هنوز در شرایط in vivo به بهترین شکل به دست می‌آید. "
پسکا امیدوار است که توانایی مطالعه نورون‌های بالغ انسان در موش‌ها، سرانجام درمان اختلالات روانپزشکی و شرایط عصبی را نزدیک‌تر کند. دیگران در این زمینه نیز امیدوار هستند. گفت: «اگر این استراتژی پیوند ارگانوئید بتواند واقعاً علائم بیماری را تقلید کند، این واقعاً می‌تواند مسیر ما را به سمت درمان تسریع کند.» جوئل بلانچارد، یک عصب شناس در دانشکده پزشکی Icahn در کوه سینا.
ماهیت کار جدید ممکن است سوالاتی را در مورد رفاه و رفتار اخلاقی با موش‌ها ایجاد کند. به همین دلیل، پشکا و همکارانش از ابتدا بحث‌های فعالی با علمای اخلاق داشته‌اند. مانند تمام آزمایش‌های مربوط به حیوانات، یک الزام قانونی وجود داشت که موش‌ها به طور گسترده توسط تکنسین‌های آزمایشگاهی تحت نظارت کامل قرار می‌گرفتند که این اختیار را داشتند که آزمایش را در هر زمان متوقف کنند. اما هیچ تفاوتی در موش‌های با ارگانوئیدهای مغز انسان پیوندی در مجموعه‌ای از تست‌های رفتاری و شناختی یافت نشد.
اینسو هیون، یک متخصص اخلاق زیستی وابسته به مرکز اخلاق زیستی دانشکده پزشکی هاروارد، گفت که او هیچ نگرانی اخلاقی در مورد آزمایش های فعلی ندارد. تیم پشکا از تمام دستورالعمل‌های توسعه‌یافته توسط انجمن بین‌المللی تحقیقات سلول‌های بنیادی پیروی کرد که بر تحقیقات ارگانوئیدهای مغز انسان و انتقال سلول‌های انسانی به حیوانات حاکم است. "از نظر من، موضوع واقعاً درک است: از آنجا به کجا می روی؟" او گفت.
هیون بیشتر نگران سایر تیم‌های تحقیقاتی است که ممکن است اکنون به پیوند ارگانوئیدهای مغز انسان به گونه‌هایی شبیه‌تر به گونه‌های ما، مانند نخستی‌های غیرانسان، علاقه‌مند شوند. هیون گفت: "شما باید یک مکالمه بسیار فشرده در سطح نظارت داشته باشید که چرا باید به سمت چیز پیچیده تر بروید."
پسکا می گوید که او و همکارانش هیچ علاقه ای به چنین آزمایش های فشار مرزی ندارند. او همچنین فکر می کند که دشواری رشد و نگهداری ارگانوئیدها برای پیوند، بیشتر تحقیقات بالقوه بی پروا را مهار می کند. او گفت: «مکان های کمی با زیرساخت ها و تخصص مورد نیاز برای انجام این کار وجود دارد.
چالش‌های علمی فوری و عملی‌تر در بهبود ارگانوئیدهای مغز انسان است که به موش‌ها پیوند می‌شوند. بدون شک هنوز راه درازی در پیش است. بافت مغز انسان در حال حاضر بسیاری از سلول‌های مغزی مهم فراتر از نورون‌ها، مانند میکروگلیا و آستروسیت‌ها، و همچنین نورون‌هایی که در مهار فعالیت سایر نورون‌ها نقش دارند را از دست داده است. تیم پشکا در حال حاضر روی آزمایش‌هایی کار می‌کند که "مجموعه‌وئیدها" را پیوند می‌زند - مجموعه‌ای از ارگانوئیدها که مناطق مختلف مغز را نشان می‌دهند که سلول‌های آنها مهاجرت می‌کنند و با یکدیگر تعامل دارند.
ممکن است محدودیت‌هایی در مورد میزان اعمال یافته‌های نورون‌های انسان در مغز موش برای مغز طبیعی انسان وجود داشته باشد. موش های مورد استفاده در این مطالعات پیوند با سیستم ایمنی معیوب به دلیل جهش ژنتیکی متولد می شوند. این باعث می شود که آنها برای پیوند مناسب باشند، زیرا سیستم ایمنی آنها کمتر احتمال دارد سلول های انسانی کاشته شده را پس بزند. اما این بدان معناست که مطالعات بیماری‌های عصبی مانند آلزایمر که دارای اجزای ایمنی هستند ممکن است دشوارتر باشد. و مهم نیست که ارگانوئیدهای پیوندی مغز انسان چقدر واقع بینانه باشند، تا زمانی که در مغز موش هستند، به جای خون انسان، در معرض خون موش با مشخصات منحصر به فرد مواد مغذی و هورمون‌ها قرار خواهند گرفت. بنابراین دانشمندان علوم اعصاب ممکن است سیستم هایی را مطالعه کنند که تا حدودی از واقعیت درون جمجمه انسان فاصله دارند.
اما برای Paşca، این سیستم جدید این فرصت را فراهم می کند تا بیش از هر زمان دیگری به حقیقت اصلی در مورد چگونگی تغییر فرآیندهای عصبی زیستی باعث اختلالات عصبی و روانی شود. پیوند ارگانوئیدها به موش های تازه متولد شده در نهایت راهی برای استفاده از قدرت کامل ابزارهای علوم اعصاب مدرن در تحقیق در مورد توسعه نورون ها و مدارهای انسانی ارائه می دهد.
پسکا گفت: "مشکلات دشوار، مانند درک اختلالات روانپزشکی که شرایط منحصر به فرد انسانی هستند، نیاز به رویکردهای جسورانه دارند."
