人間の脳の内部の仕組みについての理解は、人間のニューロンが発達し、接続し、相互作用することを観察することの実際的かつ倫理的な困難によって、長い間妨げられてきました. 今日、 新しい研究 に発表され 自然、スタンフォード大学の神経科学者が率いる セルジュ・パシュカ 彼らは、人間のニューロンを研究する新しい方法を発見したと報告している — 脳がまだ完全に形成されていない生後数日目のラットに、人間の脳のような組織を移植することによって。 研究者は、人間のニューロンや他の脳細胞が成長してラットの脳に統合し、感覚を処理して行動の側面を制御する機能的な神経回路の一部になることを示しています。
この手法を使用して、科学者は、自閉症スペクトラム障害の少なくともいくつかの形態を含む、幅広い神経発達障害の新しい生きたモデルを作成できるはずです. このモデルは、現在の動物モデルと同じように神経科学の研究室での研究に実用的ですが、機能的な神経回路内の実際のヒト細胞で構成されているため、人間の障害の代用としてより適しています。 それらは、実際の人間の脳で使用するには侵襲的すぎる最新の神経科学ツールの理想的なターゲットになる可能性があります。
「このアプローチはこの分野にとって一歩前進であり、神経機能の障害を理解するための新しい方法を提供します。," 前記 マデリーン・ランカスター、英国ケンブリッジにある MRC 分子生物学研究所の神経科学者で、この研究には関与していませんでした。
この研究はまた、神経オルガノイドの使用におけるエキサイティングな新しい章を示しています。 ほぼ 15 年前、生物学者は、ヒト幹細胞が自己組織化して、さまざまな種類の細胞を保持し、脳組織に似た小さな球体に成長できることを発見しました。 これらのオルガノイドは、脳細胞の活動に新たな窓を開きましたが、その見方には限界があります。 皿の中のニューロンは互いに接続して電気的に通信できますが、真に機能的な回路を形成したり、自然の生息地である脳で健康なニューロンの完全な成長と計算能力を達成したりすることはできません.
先駆的な仕事 さまざまな研究グループによって、人間の脳オルガノイドが成体ラットの脳に挿入され、生き残ることができることが数年前に証明されました。 しかし、新しい研究は、生まれたばかりのラットの急成長中の脳が、ヒトのニューロンを受け入れて成熟させると同時に、ラットの行動を駆動できる局所回路にそれらを統合することを初めて示しています。
Paşca は、XNUMX つの種の神経系がいつ、どのように発達するかが劇的に異なることを考えると、「それがうまくいかないと信じる理由は無数にある」と指摘しました。 それでも、人間の細胞が本質的なつながりを作るために必要な手がかりを見つけることで、それはうまくいきました.
「これは、人間の脳発達の後期段階をモデル化するために、人間の脳オルガノイドの生理学的関連性を高めるためのアプローチを探すという正しい方向にこの分野を導く、非常に必要とされている洗練された研究です。」 ジョルジア・クアドラート、南カリフォルニア大学の神経科学者。
ニューロンでうまくいかず、脳障害につながる細胞および分子プロセスを理解することは、常に Paşca の動機でした。 [編集者注: を参照してください。 同行インタビュー 彼の人生、キャリア、仕事への動機についてパシュカに語ってもらいました。] 多くの精神疾患や神経疾患は発達中に脳に根付くため、ニューロンがどのように発達するかを観察することは、私たちの理解の空白を埋めるための最良の方法のように思えました. そのため、13 年前に培養皿でニューロンの研究を始めて以来、Paşca は人間の脳オルガノイドを新生ラットに移植することを目標としてきました。
パシュカのスタンフォード大学の同僚たちも率いた新しい研究で フェリシティ・ゴア, ケビン・ケリー Omer Revah (現在はエルサレムのヘブライ大学に所属) — チームは、子犬の脳回路が完全に確立される前に、非常に若いラットの子犬の体性感覚皮質に皮質の人間の脳オルガノイドを挿入しました。 これにより、人間のニューロンは、入ってくる感覚情報を処理する重要な領域から長距離接続を受信する機会を得ました。 その後、研究者は、オルガノイドがラットの発達中の脳の残りの部分と協調して成長するかどうかを確認するのを待ちました.
「初期段階でオルガノイドを挿入すると、XNUMX ～ XNUMX か月で最初の XNUMX 倍まで成長することがわかりました」と Paşca 氏は述べています。 これは、ラットの脳半球の約 XNUMX 分の XNUMX を覆う、人間に似た脳組織の領域に相当します。
しかし、人間のニューロンは、外科的に配置された皮質領域に一緒に留まりましたが、研究者は、それらがラットの脳の奥深くにある神経回路のアクティブな部分になることを示しました. 移植された人間のニューロンのほとんどは、ラットのひげからの触覚に反応し始めた.空気のパフがひげに向けられると、人間のニューロンはより電気的に活性化した.
さらに驚くべきことに、神経信号の流れは逆方向にも流れ、行動に影響を与える可能性があります。 人間のニューロンが青色光で刺激されると (光遺伝学と呼ばれる手法を介して)、ラットに条件付けられた行動が引き起こされ、水のボトルをより頻繁になめることで報酬を求めるようになりました。
「これは、実際に人間の細胞を回路に統合したことを意味します」と Paşca 氏は述べています。 「それはサーキットを変えることではありません。 …人間の細胞がその一部になっただけです。」
移植された細胞は、新しい設定では人間の脳組織を完全に模倣していませんでした。 たとえば、それらは人間の皮質に見られるのと同じ多層構造に組織化されていませんでした。 (また、それらは周囲のラット ニューロンの先導に従い、ラットの体性感覚皮質に特徴的なバレルのような柱を形成しませんでした。)しかし、移植された個々のニューロンは、通常の人間の電気的および構造的特性の多くを保持していました。
細胞は、脳内にあるという大きな利点の XNUMX つを利用しました。ラットの脳の血管系との接続に成功し、血管が組織に浸透して酸素とホルモンを送達できるようになりました。 血液供給の欠如は、発達を形成するためにおそらく必要とされる神経信号入力の欠如とともに、皿の中で成長する人間のニューロンが日常的に完全に成熟しない主な理由であると考えられている. 彼のチームは、移植されたヒトのニューロンを皿に生きているものと比較したとき、移植されたニューロンはXNUMX倍大きく、サイズと電気的活動プロファイルは自然の人間の脳組織のニューロンに近いことを発見しました.
「生体内環境には何かがあります。つまり、脳内で受け取っている栄養素と電気信号は、ヒト細胞を別のレベルの成熟に導きます」と Paşca 氏は述べています。
人間のニューロンはラットの脳内で非常に成熟しているため、Paşca と彼の同僚は、自閉症やてんかんを引き起こすことが多いティモシー症候群と呼ばれる遺伝性疾患を持つ人々に由来する脳オルガノイドの発達に異常な違いを見ることができました。 ラットの脳では、ティモシー症候群の遺伝子を運ぶ移植されたヒトのニューロンが異常な樹状突起の枝を成長させ、異常なつながりを作りました。 重要なことに、これらの非定型の発達のいくつかは、ラットの皮質内で成長しているヒトのニューロンでのみ見られ、皿のオルガノイドニューロンでは見られませんでした.
Paşca は、これまで、脳機能に影響を及ぼし、神経障害や精神障害を引き起こす成熟ニューロンのこの種の微妙な変化は、ほとんど私たちから隠されてきたことを強調しています。
「結果は非常にエキサイティングです」と彼は言いました ベネット・ノビッチ、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の神経科学者および幹細胞生物学者。 神経組織の in vitro 研究は、多くの種類の神経学的研究や薬物検査にとって依然としてより迅速で実用的であると彼は指摘しましたが、新しい論文は「ヒトニューロンの成熟した特徴を明らかにする方法を示しています… in vivo 設定で達成するのが依然として最善です。 」
Paşca は、ラット内の成熟したヒト ニューロンを研究できるようになることで、最終的に精神障害や神経学的状態の治療に近づくことを期待しています。 この分野の他の人たちも希望を持っています。 「このオルガノイド移植戦略が疾患の特徴を真に模倣できる場合、これは治療への道を本当に加速する可能性があります。」 ジョエル・ブランチャード、マウントサイナイのアイカーン医科大学の神経科学者。
新しい仕事の性質は、ラットの福祉と倫理的扱いについて疑問を投げかけるかもしれません。 そのため、パスカ氏らは当初から倫理学者と活発な議論を行ってきました。 動物が関与するすべての実験と同様に、いつでも実験を停止する権限を持つラボ技術者がラットを広範囲に監視するという法的要件がありました。 しかし、一連の行動および認知テストでは、ヒト脳オルガノイドを移植したラットに違いは見られませんでした。
インス・ヒョンハーバード大学医学部生命倫理センターに所属する生命倫理学者は、現在の実験について倫理的な懸念はないと述べた. Paşca のチームは、ヒト脳オルガノイドの研究とヒト細胞の動物への移植を管理する国際幹細胞研究協会によって開発されたすべてのガイドラインに従いました。 「私にとって、問題は本当に理解していることです。そこからどこへ行くのか?」 彼は言った。
Hyun は、人間以外の霊長類など、人間に似た種に人間の脳オルガノイドを移植することに関心を持つようになった他の研究チームについて、より懸念しています。 「なぜもっと複雑なものに行くことが正当化されるのかについて、監視レベルで非常に熱心に話し合う必要があります」とHyunは言いました。
Paşca は、彼と彼の同僚は、そのような境界を押し広げる実験には関心がないと述べています。 彼はまた、移植用のオルガノイドを成長させ維持することの難しさが、無謀な可能性のある研究のほとんどを抑制するだろうと考えています。 「これを行うために必要なインフラストラクチャと専門知識を備えた場所はほとんどありません」と彼は言いました。
より差し迫った現実的な科学的課題は、ラットに移植されるヒト脳オルガノイドの改善にあります。 まだまだ道のりは長いことは間違いありません。 ヒトの脳様組織は現在、ミクログリアや星状細胞などのニューロン以外の多くの重要な脳細胞、および他のニューロンの活動を阻害することに関与するニューロンを欠いています. Paşca のチームは現在、細胞が移動して互いに相互作用するさまざまな脳領域を表すオルガノイドのセットである「集合体」を移植する実験に取り組んでいます。
ラットの脳内の人間のニューロンから得られた知見を、自然の人間の脳に適用できる範囲には限界があるかもしれません。 これらの移植研究で使用されるラットは、遺伝子変異により、免疫系に欠陥があります。 免疫系が移植されたヒト細胞を拒絶する可能性が低いため、移植に適しています。 しかし、それはまた、免疫要素を持つことが知られているアルツハイマー病のような神経変性疾患の研究がより困難になる可能性があることを意味します. 移植された人間の脳オルガノイドがどれほど現実的になっても、それらがラットの脳にある限り、人間の血液ではなく、栄養素とホルモンの独自のプロファイルを持つラットの血液にさらされます. したがって、神経科学者は、人間の頭蓋骨内の現実とはやや異なるシステムを研究している可能性があります。
しかし、Paşca にとって、この新しいシステムは、神経生物学的プロセスの変化がどのように神経学的障害や精神障害を引き起こすかについてのグラウンド トゥルースにこれまで以上に近づく機会を提供します。 オルガノイドを新生ラットに移植することで、ヒトのニューロンと回路の発達に関する研究に最新の神経科学ツールを最大限に活用する方法がついに提供されました。
「人間特有の状態である精神障害を理解するなどの困難な問題には、大胆なアプローチが必要になります」と Paşca 氏は述べています。
