Ymmärrystämme ihmisaivojen sisäisestä toiminnasta on pitkään jarruttanut käytännöllinen ja eettinen vaikeus tarkkailla ihmisen hermosolujen kehittymistä, yhteyttä ja vuorovaikutusta. Tänään, sisään uusi tutkimus julkaistu luonto, Stanfordin yliopiston neurotieteilijät johtamassa Sergiu Paşca raportoivat löytäneensä uuden tavan tutkia ihmisen hermosoluja – siirtämällä ihmisen aivokaltaista kudosta rotille, jotka ovat vain muutaman päivän ikäisiä, kun niiden aivot eivät ole vielä täysin muodostuneet. Tutkijat osoittavat, että ihmisen hermosolut ja muut aivosolut voivat kasvaa ja integroitua rotan aivoihin, jolloin niistä tulee osa toiminnallista hermovirtapiiriä, joka prosessoi aistimuksia ja ohjaa käyttäytymistä.
Tätä tekniikkaa käyttämällä tutkijoiden pitäisi pystyä luomaan uusia eläviä malleja monille hermoston kehityshäiriöille, mukaan lukien ainakin tietyt autismikirjon häiriöt. Mallit olisivat yhtä käytännöllisiä neurotieteellisissä laboratoriotutkimuksissa kuin nykyiset eläinmallit, mutta ne sopisivat paremmin ihmisen sairauksiin, koska ne koostuisivat todellisista ihmissoluista toiminnallisissa hermopiireissä. Ne voisivat olla ihanteellisia kohteita nykyaikaisille neurotieteen työkaluille, jotka ovat liian invasiivisia käytettäviksi todellisissa ihmisen aivoissa.
”Tämä lähestymistapa on alalle askel eteenpäin ja tarjoaa uuden tavan ymmärtää hermosolujen toimintahäiriöitä,"sanoi Madeline Lancaster, neurotieteilijä MRC:n molekyylibiologian laboratoriosta Cambridgessa, Yhdistyneessä kuningaskunnassa, joka ei ollut mukana työhön.
Työ merkitsee myös uutta jännittävää lukua hermoorganoidien käytössä. Lähes 15 vuotta sitten biologit havaitsivat, että ihmisen kantasolut voivat organisoitua itsestään ja kasvaa pieniksi palloiksi, joissa oli erityyppisiä soluja ja jotka muistuttivat aivokudosta. Nämä organoidit avasivat uuden ikkunan aivosolujen toimintaan, mutta näkymällä on rajansa. Vaikka lautasen hermosolut voivat muodostaa yhteyden toisiinsa ja kommunikoida sähköisesti, ne eivät voi muodostaa todella toimivia piirejä tai saavuttaa terveiden hermosolujen täyttä kasvua ja laskennallista suorituskykyä luonnollisessa elinympäristössään, aivoissaan.
Uraauurtava työ useat tutkimusryhmät osoittivat vuosia sitten, että ihmisen aivojen organoideja voidaan lisätä aikuisten rottien aivoihin ja ne selviävät. Mutta uusi tutkimus osoittaa ensimmäistä kertaa, että vastasyntyneen rotan kasvavat aivot hyväksyvät ihmisen hermosolut ja antavat niiden kypsyä, samalla kun ne integroivat ne paikallisiin piireihin, jotka pystyvät ohjaamaan rotan käyttäytymistä.
Paşca huomautti, että oli "tuhat syytä uskoa, että se ei toimisi", kun otetaan huomioon jyrkät erot näiden kahden lajin hermoston kehityksessä. Ja silti se toimi, kun ihmissolut löysivät tarvittavat vihjeet olennaisten yhteyksien luomiseen.
"Tämä on erittäin tarpeellinen ja tyylikäs tutkimus, joka ohjaa alaa oikeaan suuntaan etsimään lähestymistapoja ihmisen aivojen organoidien fysiologisen merkityksen edistämiseksi ihmisen aivojen kehityksen myöhempien vaiheiden mallintamiseksi", sanoi Giorgia Quadrato, neurotieteilijä Etelä-Kalifornian yliopistosta.
Solu- ja molekyyliprosessien ymmärtäminen, jotka menevät pieleen neuroneissa ja johtavat aivohäiriöihin, on aina ollut Paşcan motivaatio. [Toimittajan huomautus: Katso mukana tuleva haastattelu Paşcan kanssa hänen elämästään, urastaan ja motivaatioistaan työssään.] Koska monet psykiatriset ja neurologiset häiriöt juurtuvat aivoihin kehityksen aikana – vaikka oireet saattavat ilmaantua vasta vuosia myöhemmin – hermosolujen kehityksen seuraaminen on näyttänyt parhaalta tavalta täyttää ymmärryksemme aukot. Siksi Paşcan tavoitteena on ollut siirtää ihmisen aivojen organoideja vastasyntyneisiin rottiin siitä lähtien, kun hän aloitti työskentelyn hermosolujen kanssa lautasessa 13 vuotta sitten.
Uudessa työssä – jota myös johtivat Paşcan Stanford-kollegat Felicity Gore, Kevin Kelley ja Omer Revah (nykyisin Jerusalemin heprealaisessa yliopistossa) – tiimi lisäsi aivokuoren organoideja hyvin nuorten rotanpentujen somatosensoriseen aivokuoreen ennen kuin pentujen aivopiirit olivat täysin vakiintuneet. Tämä antoi ihmisen neuroneille mahdollisuuden vastaanottaa pitkän kantaman yhteyksiä avainalueelta, joka käsittelee saapuvaa aistitietoa. Sitten tutkijat odottivat, kasvaisiko organoidi yhdessä muiden rotan kehittyvien aivojen kanssa.
"Huomasimme, että jos laitamme organoidin siihen varhaisessa vaiheessa… se kasvaa jopa yhdeksän kertaa suuremmaksi kuin se alun perin oli neljän tai viiden kuukauden aikana", sanoi Paşca. Tämä käännettiin ihmisen kaltaisen aivokudoksen alueelle, joka peitti noin kolmanneksen yhdestä rotan aivopuoliskosta.
Mutta vaikka ihmisen neuronit pysyivät yhdessä aivokuoren alueella, jonne ne sijoitettiin kirurgisesti, tutkijat osoittivat, että niistä tuli aktiivisia osia syvälle rotan aivoihin kierrettyyn hermovirtapiiriin. Suurin osa siirretyistä ihmisen hermosoluista alkoi reagoida rotan viiksien kosketustuntemuksiin: Kun ilmahuiput kohdistettiin viiksiin, ihmisen neuronit muuttuivat sähköisesti aktiivisemmiksi.
Vielä yllättävämpää on, että hermosignaalien virtaus voi kulkea myös toiseen suuntaan ja vaikuttaa käyttäytymiseen. Kun ihmisen hermosoluja stimuloitiin sinisellä valolla (optogenetiikaksi kutsutun tekniikan avulla), se laukaisi rotissa ehdollisen käyttäytymisen, joka sai heidät etsimään palkkiota nuolemalla useammin vesipulloa.
"Tämä tarkoittaa, että olemme todella integroineet ihmissolut piiriin", sanoi Paşca. "Se ei muuta piirejä. … Ihmissolut ovat nyt vain osa sitä.”
Siirretyt solut eivät jäljitelleet täydellisesti ihmisen aivokudosta uudessa ympäristössään. He eivät esimerkiksi järjestäytyneet samaan monikerroksiseen rakenteeseen, joka nähdään ihmisen aivokuoressa. (Ne eivät myöskään seuranneet ympäröivien rotan hermosolujen esimerkkiä ja muodostaneet tynnyrimäisiä pylväitä, jotka ovat tyypillisiä rotan somatosensoriselle aivokuorelle.) Mutta yksittäiset siirretyt neuronit säilyttivät monia ihmisen normaaleja sähköisiä ja rakenteellisia ominaisuuksia.
Solut käyttivät hyväkseen yhtä suurta etua aivoissa olemisesta: ne liittyivät onnistuneesti rotan aivojen verisuonijärjestelmään, jolloin verisuonet pääsivät tunkeutumaan kudokseen toimittamaan happea ja hormoneja. Verenhuollon puutteen uskotaan olevan suurin syy siihen, miksi astiassa kasvavat ihmisen neuronit eivät rutiininomaisesti kypsy täysin, samoin kuin hermosignaalien puute, jota todennäköisesti tarvitaan kehityksen muokkaamiseen, Paşca selitti. Kun hänen tiiminsä vertasi siirrettyjä ihmisen hermosoluja lautasessa eläviin, he havaitsivat, että siirretyt neuronit olivat kuusi kertaa suurempia, ja niiden koko ja sähköinen aktiivisuusprofiili olivat lähempänä ihmisen luonnollisesta aivokudoksesta peräisin olevien hermosolujen vastaavaa.
"In vivo -ympäristössä - eli ravintoaineissa ja sähköisissä signaaleissa, joita ne vastaanottavat aivoissa - on jotain, mikä tuo ihmissolut uudelle kypsymisasteelle", Paşca sanoi.
Koska ihmisen hermosolut kypsyivät niin paljon rotan aivoissa, Paşca ja hänen kollegansa saattoivat nähdä epätavallisia eroja aivojen organoidien kehityksessä, jotka olivat peräisin ihmisistä, joilla on geneettinen sairaus nimeltä Timothy-oireyhtymä, joka usein aiheuttaa autismia ja epilepsiaa. Rotan aivoissa Timothy-oireyhtymän geenejä kantavat ihmisen neuronit kasvattivat epänormaaleja dendriittihaaroja, jotka loivat epätavallisia yhteyksiä. Ratkaisevaa on, että jotkin näistä epätyypillisistä kehityksestä voitiin nähdä vain rotan aivokuoressa kasvavissa ihmisen hermosoluissa, ei maljan organoidisissa hermosoluissa.
Paşca korostaa, että tähän asti tämäntyyppiset hienovaraiset muutokset kypsyvissä hermosoluissa, jotka vaikuttavat aivojen toimintaan ja johtavat neurologisiin ja psykiatrisiin häiriöihin, ovat olleet suurelta osin piilossa meiltä.
"Tulokset ovat erittäin jännittäviä", sanoi Bennett Novitch, neurotieteilijä ja kantasolubiologi Kalifornian yliopistosta Los Angelesista. Hermokudosten in vitro -tutkimukset ovat edelleen nopeampia ja käytännöllisempiä monentyyppisissä neurologisissa tutkimuksissa ja lääketesteissä, hän totesi, mutta uusi paperi "havainnollistaa, kuinka ihmisen hermosolujen kypsien ominaisuuksien paljastaminen … on edelleen parasta in vivo -ympäristössä. .”
Paşca toivoo, että kypsien ihmisen hermosolujen tutkiminen rotissa tuo vihdoinkin psykiatristen häiriöiden ja neurologisten sairauksien hoitoja lähemmäksi. Myös muut alalla toimivat ovat toiveikkaita. "Jos tämä organoidisiirtostrategia voi todella jäljitellä sairauden merkkejä, tämä voisi todella nopeuttaa tietämme kohti parantumista", sanoi Joel Blanchard, neurotieteilijä Icahn School of Medicine -koulussa Siinai-vuorella.
Uuden työn luonne saattaa herättää kysymyksiä rottien hyvinvoinnista ja eettisestä kohtelusta. Tästä syystä Paşca ja hänen kollegansa ovat käyneet aktiivisia keskusteluja eettisten asiantuntijoiden kanssa alusta alkaen. Kuten kaikissa eläimillä tehdyissä kokeissa, oli lakisääteinen vaatimus, että laboratorioteknikot tarkkailevat rottia laajasti ja joilla on valtuudet keskeyttää koe milloin tahansa. Mutta eroja ei havaittu rotilla, joille oli siirretty ihmisen aivojen organoideja useissa käyttäytymis- ja kognitiivisissa testeissä.
Insoo Hyun, Harvard Medical Schoolin Bioetiikkakeskukseen sidoksissa oleva bioeettikko, sanoi, ettei hänellä ole eettisiä huolia nykyisistä kokeista. Paşcan tiimi noudatti kaikkia Kansainvälisen kantasolututkimusyhdistyksen laatimia ohjeita, jotka ohjasivat ihmisen aivojen organoideja ja ihmissolujen siirtoa eläimiin. "Minulle kysymys on todella ymmärtäväinen: minne sinä menet sieltä?" hän sanoi.
Hyun on enemmän huolissaan muista tutkimusryhmistä, jotka saattavat nyt kiinnostua ihmisen aivojen organoidien siirtämisestä lajeihin, jotka ovat samankaltaisia kuin omamme, kuten kädellisiin. "Sinun pitäisi käydä erittäin intensiivistä keskustelua valvontatasolla siitä, miksi olet oikeutettu menemään johonkin monimutkaisempaan", Hyun sanoi.
Paşca sanoo, että hän ja hänen kollegansa eivät ole kiinnostuneita tällaisista rajoja työntävistä kokeista. Hän uskoo myös, että organoidien kasvattamisen ja ylläpitämisen vaikeus siirtoa varten hillitsee mahdollisesti holtitonta tutkimusta. "On vain harvoja paikkoja, joissa on tähän tarvittava infrastruktuuri ja asiantuntemus", hän sanoi.
Välittömämpiä ja käytännönläheisempiä tieteellisiä haasteita ovat rotille siirrettävien ihmisen aivojen organoidien parantaminen. Kiistämättä on vielä pitkä matka kuljettavana. Ihmisen aivojen kaltaisesta kudoksesta puuttuu tällä hetkellä monia tärkeitä aivosoluja hermosolujen lisäksi, kuten mikrogliaa ja astrosyytiä, sekä hermosoluja, jotka osallistuvat muiden hermosolujen toiminnan estämiseen. Paşcan tiimi työskentelee parhaillaan kokeiden parissa, joilla siirretään "assembloideja" – organoideja, jotka edustavat eri aivoalueita, joiden solut liikkuvat ja ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa.
Saattaa olla rajoituksia sille, kuinka paljon rotan aivojen ihmisen hermosolujen löydöksiä voidaan soveltaa luonnollisiin ihmisen aivoihin. Näissä elinsiirtotutkimuksissa käytetyillä rotilla on syntyessään viallinen immuunijärjestelmä geneettisen mutaation vuoksi. Tämän vuoksi ne sopivat hyvin siirtoihin, koska niiden immuunijärjestelmä ei todennäköisesti hylkää implantoituja ihmissoluja. Mutta se tarkoittaa myös, että Alzheimerin kaltaisten hermostoa rappeuttavien sairauksien tutkimukset, joilla tiedetään olevan immuunikomponentteja, voivat olla vaikeampia. Ja riippumatta siitä, kuinka realistisiksi siirretyt ihmisaivojen organoidit ovat, niin kauan kuin ne ovat rotan aivoissa, ne altistuvat rotan verelle, jolla on ainutlaatuinen ravintoaineiden ja hormonien profiili ihmisveren sijaan. Neurotieteilijät saattavat siis tutkia järjestelmiä, jotka eivät vastaa todellisuutta ihmisen kallon sisällä.
Mutta Paşcalle tämä uusi järjestelmä tarjoaa mahdollisuuden päästä lähemmäs kuin koskaan totuutta siitä, kuinka muuttuneet neurobiologiset prosessit aiheuttavat neurologisia ja psykiatrisia häiriöitä. Organoidien siirtäminen vastasyntyneisiin rotteihin tarjoaa vihdoin tavan hyödyntää nykyaikaisten neurotieteen työkalujen täydellistä voimaa ihmisen hermosolujen ja -piirien kehittämisen tutkimuksessa.
"Vaikeat ongelmat, kuten psykiatristen häiriöiden ymmärtäminen, jotka ovat ainutlaatuisia inhimillisiä tiloja, vaativat rohkeita lähestymistapoja", sanoi Paşca.
