Ons begrip van de innerlijke werking van het menselijk brein is lange tijd tegengehouden door de praktische en ethische moeilijkheid om menselijke neuronen te observeren die zich ontwikkelen, verbinden en interageren. Vandaag in een nieuwe studie gepubliceerd NATUUR, neurowetenschappers aan de Stanford University onder leiding van Sergiu Pasca melden dat ze een nieuwe manier hebben gevonden om menselijke neuronen te bestuderen - door menselijk hersenachtig weefsel te transplanteren in ratten die slechts enkele dagen oud zijn, terwijl hun hersenen nog niet volledig zijn gevormd. De onderzoekers laten zien dat menselijke neuronen en andere hersencellen kunnen groeien en zichzelf kunnen integreren in de hersenen van de rat, en deel gaan uitmaken van het functionele neurale circuit dat sensaties verwerkt en aspecten van gedrag controleert.
Met behulp van deze techniek zouden wetenschappers in staat moeten zijn om nieuwe levende modellen te creรซren voor een breed scala aan neurologische ontwikkelingsstoornissen, waaronder ten minste enkele vormen van autismespectrumstoornis. De modellen zouden net zo praktisch zijn voor neurowetenschappelijke laboratoriumstudies als de huidige diermodellen, maar zouden betere vervangingen zijn voor menselijke aandoeningen omdat ze zouden bestaan โโuit echte menselijke cellen in functionele neurale circuits. Ze zouden ideale doelen kunnen zijn voor moderne neurowetenschappelijke hulpmiddelen die te invasief zijn om in echte menselijke hersenen te gebruiken.
"Deze aanpak is een stap voorwaarts voor het veld en biedt een nieuwe manier om aandoeningen van neuronaal functioneren te begrijpen,"Zei Madeline Lancaster, een neurowetenschapper aan het MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, VK, die niet betrokken was bij het werk.
Het werk markeert ook een opwindend nieuw hoofdstuk in het gebruik van neurale organoรฏden. Bijna 15 jaar geleden ontdekten biologen dat menselijke stamcellen zichzelf konden organiseren en uitgroeien tot kleine bolletjes die verschillende soorten cellen bevatten en op hersenweefsel leken. Deze organoรฏden openden een nieuw venster in de activiteiten van hersencellen, maar het zicht heeft zijn grenzen. Hoewel neuronen in een schaal met elkaar kunnen verbinden en elektrisch kunnen communiceren, kunnen ze geen echt functionele circuits vormen of de volledige groei en rekenkracht van gezonde neuronen in hun natuurlijke habitat, de hersenen, bereiken.
Pionierswerk door verschillende onderzoeksgroepen jaren geleden bewezen dat menselijke hersenorganoรฏden in de hersenen van volwassen ratten kunnen worden ingebracht en overleven. Maar de nieuwe studie toont voor het eerst aan dat de ontluikende hersenen van een pasgeboren rat menselijke neuronen zullen accepteren en ze zullen laten rijpen, terwijl ze ze ook zullen integreren in lokale circuits die het gedrag van de rat kunnen aansturen.
Paลca wees erop dat er "duizend redenen waren om aan te nemen dat dit niet zou werken", gezien de drastische verschillen in hoe en wanneer het zenuwstelsel van de twee soorten zich ontwikkelt. En toch werkte het, waarbij de menselijke cellen de aanwijzingen vonden die ze nodig hadden om essentiรซle verbindingen te maken.
"Dit is een broodnodige en elegante studie die het veld in de goede richting stuurt om te zoeken naar benaderingen om de fysiologische relevantie van menselijke hersenorganoรฏden te bevorderen om latere stadia van de ontwikkeling van het menselijk brein te modelleren," zei Giorgia Quadrato, een neurowetenschapper aan de Universiteit van Zuid-Californiรซ.
Het begrijpen van de cellulaire en moleculaire processen die misgaan in neuronen en leiden tot hersenaandoeningen, is altijd Paลca's motivatie geweest. [Noot van de redactie: zie de begeleidend interview met Paลca over zijn leven, carriรจre en motivaties voor zijn werk.] Omdat veel psychiatrische en neurologische aandoeningen tijdens de ontwikkeling wortel schieten in de hersenen - ook al treden de symptomen misschien pas jaren later op - leek het kijken naar hoe neuronen zich ontwikkelen de beste manier om de leemten in ons begrip op te vullen. Daarom is het Paลca's doel geweest om menselijke hersenorganoรฏden te transplanteren in pasgeboren ratten sinds hij 13 jaar geleden begon te werken met neuronen in een schaaltje.
In het nieuwe werk - dat ook werd geleid door Paลca's Stanford-collega's Felicity Gore, Kevin Kelley en Omer Revah (nu aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem) - het team bracht corticale menselijke hersenorganoรฏden in de somatosensorische cortex van zeer jonge rattenpups in, voordat het hersencircuit van de pups volledig tot stand was gebracht. Dit gaf de menselijke neuronen de kans om langeafstandsverbindingen te ontvangen van een belangrijk gebied dat binnenkomende sensorische informatie verwerkt. Daarna wachtten de onderzoekers om te zien of de organoรฏde zou groeien samen met de rest van de zich ontwikkelende hersenen van de rat.
"We ontdekten dat als we de organoรฏde in dat vroege stadium inbrengen... het tot negen keer groter wordt dan het aanvankelijk was over een periode van vier of vijf maanden," zei Paลca. Dat vertaalde zich in een gebied van menselijk hersenweefsel dat ongeveer een derde van een van de hersenhelften van de rat besloeg.
Maar hoewel de menselijke neuronen bij elkaar bleven in het corticale gebied waar ze operatief werden geplaatst, toonden de onderzoekers aan dat ze actieve delen werden van de neurale circuits die diep in de hersenen van de rat waren geregen. De meeste van de getransplanteerde menselijke neuronen begonnen te reageren op aanrakingsgewaarwordingen van de snorharen van de rat: toen luchtwolken op de snorharen werden gericht, werden de menselijke neuronen elektrisch actiever.
Nog verrassender is dat de stroom van neurale signalen ook de andere kant op kan lopen en het gedrag kan beรฏnvloeden. Toen de menselijke neuronen werden gestimuleerd met blauw licht (via een techniek die optogenetica wordt genoemd), veroorzaakte dit een geconditioneerd gedrag bij de ratten waardoor ze een beloning zochten door vaker aan een waterfles te likken.
"Dat betekent dat we menselijke cellen daadwerkelijk in het circuit hebben geรฏntegreerd", zegt Paลca. โHet verandert niet de circuits. โฆ Het is gewoon dat menselijke cellen er nu deel van uitmaken.โ
De getransplanteerde cellen bootsten menselijk hersenweefsel niet perfect na in hun nieuwe omgeving. Ze organiseerden zich bijvoorbeeld niet in dezelfde meerlagige structuur als in de menselijke cortex. (Ze volgden evenmin de leiding van de omringende rattenneuronen en vormden de tonachtige kolommen die kenmerkend zijn voor de somatosensorische cortex van de rat.) Maar de individuele getransplanteerde neuronen behielden veel van de normale menselijke elektrische en structurele eigenschappen.
De cellen profiteerden van een groot voordeel van het feit dat ze zich in een brein bevonden: ze maakten met succes verbinding met het vasculaire systeem van de rattenhersenen, waardoor bloedvaten het weefsel konden doordringen om zuurstof en hormonen af โโโโte geven. Het ontbreken van een bloedtoevoer wordt beschouwd als een belangrijke reden waarom menselijke neuronen die in een schaal groeien routinematig niet volledig rijpen, samen met een gebrek aan neurale signaalingangen die waarschijnlijk nodig zijn om de ontwikkeling vorm te geven, legde Paลca uit. Toen zijn team de getransplanteerde menselijke neuronen vergeleek met die in een schaal, ontdekten ze dat de getransplanteerde neuronen zes keer groter waren, met een grootte en elektrisch activiteitsprofiel dat dichter bij dat van neuronen uit natuurlijk menselijk hersenweefsel lag.
"Er is iets met de in vivo omgeving - dus de voedingsstoffen en elektrische signalen die ze in de hersenen ontvangen - dat menselijke cellen naar een ander niveau van rijping brengt," zei Paลca.
Omdat de menselijke neuronen zo volwassen werden in de hersenen van ratten, konden Paลca en zijn collega's ongebruikelijke verschillen zien in de ontwikkeling van hersenorganoรฏden die zijn afgeleid van mensen met een genetische aandoening die het Timothy-syndroom wordt genoemd en die vaak autisme en epilepsie veroorzaakt. In de hersenen van ratten groeiden de getransplanteerde menselijke neuronen die genen voor het Timothy-syndroom droegen, abnormale dendritische takken die ongebruikelijke verbindingen maakten. Cruciaal is dat sommige van deze atypische ontwikkelingen alleen te zien waren in menselijke neuronen die in de cortex van de rat groeiden, en niet in organoรฏde neuronen in een schaal.
Paลca benadrukt dat dit soort subtiele veranderingen in rijpende neuronen die de hersenfunctie beรฏnvloeden en leiden tot neurologische en psychiatrische aandoeningen tot nu toe grotendeels voor ons verborgen zijn gebleven.
"De resultaten zijn erg spannend", zei Bennett Novitch, een neurowetenschapper en stamcelbioloog aan de Universiteit van Californiรซ, Los Angeles. In vitro-onderzoeken van neurale weefsels zullen nog steeds sneller en praktischer zijn voor veel soorten neurologische onderzoeken en medicijntesten, merkte hij op, maar het nieuwe artikel "illustreert hoe het onthullen van de volwassen kenmerken van menselijke neuronen ... nog steeds het best wordt bereikt in de in vivo setting .โ
Paลca hoopt dat het kunnen bestuderen van volwassen menselijke neuronen bij ratten eindelijk behandelingen voor psychiatrische stoornissen en neurologische aandoeningen dichterbij zal brengen. Anderen in het veld zijn ook hoopvol. "Als deze organoรฏde transplantatiestrategie echt ziektesignaturen kan nabootsen, zou dit ons pad naar genezing echt kunnen versnellen," zei Joรซl Blanchard, een neurowetenschapper aan de Icahn School of Medicine op de berg Sinaรฏ.
De aard van het nieuwe werk kan vragen oproepen over het welzijn en de ethische behandeling van de ratten. Om die reden hebben Paลca en zijn collega's vanaf het begin actief overleg gevoerd met ethici. Zoals bij alle experimenten met dieren, was er een wettelijke vereiste dat de ratten uitgebreid worden gecontroleerd door laboranten met de bevoegdheid om het experiment op elk moment te stoppen. Maar er werden geen verschillen gevonden in de ratten met getransplanteerde menselijke hersenorganoรฏden in een reeks gedrags- en cognitieve tests.
Insoo Hyun, een bio-ethicus verbonden aan het Centrum voor Bio-ethiek van de Harvard Medical School, zei dat hij geen ethische zorgen heeft over de huidige experimenten. Het team van Paลca volgde alle richtlijnen die zijn ontwikkeld door de International Society for Stem Cell Research voor onderzoek met menselijke hersenorganoรฏden en de overdracht van menselijke cellen naar dieren. "Voor mij is het probleem echt begrijpen: waar ga je heen?" hij zei.
Hyun maakt zich meer zorgen over andere onderzoeksteams die nu geรฏnteresseerd kunnen raken in het transplanteren van organoรฏden in het menselijk brein in soorten die meer op de onze lijken, zoals niet-menselijke primaten. "Je zou een heel intens gesprek moeten hebben op het toezichtniveau van waarom je gerechtvaardigd bent om naar iets complexers te gaan," zei Hyun.
Paลca zegt dat hij en zijn collega's geen interesse hebben in dergelijke grensverleggende experimenten. Hij denkt ook dat de moeilijkheid om organoรฏden te kweken en in stand te houden voor transplantatie het meest potentieel roekeloze onderzoek zal beteugelen. "Er zijn maar weinig plaatsen met de infrastructuur en expertise die nodig zijn om dit te doen," zei hij.
De meer directe en praktische wetenschappelijke uitdagingen liggen in het verbeteren van de menselijke hersenorganoรฏden die in ratten worden getransplanteerd. Er is ongetwijfeld nog een lange weg te gaan. Het menselijke hersenachtige weefsel mist momenteel veel belangrijke hersencellen buiten neuronen, zoals microglia en astrocyten, evenals neuronen die betrokken zijn bij het remmen van de activiteit van andere neuronen. Het team van Paลca werkt momenteel aan experimenten die "assembloiden" zullen transplanteren - sets van organoรฏden die verschillende hersengebieden vertegenwoordigen waarvan de cellen migreren en met elkaar interageren.
Er kunnen grenzen zijn aan de mate waarin de bevindingen van menselijke neuronen in een rattenbrein van toepassing kunnen zijn op een natuurlijk menselijk brein. De ratten die in deze transplantatiestudies zijn gebruikt, worden geboren met een defect immuunsysteem als gevolg van een genetische mutatie. Dat maakt ze zeer geschikt voor transplantaties, omdat hun immuunsysteem de geรฏmplanteerde menselijke cellen minder snel afstoot. Maar het betekent ook dat onderzoeken naar neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer, waarvan bekend is dat ze immuuncomponenten hebben, moeilijker kunnen zijn. En hoe realistisch de getransplanteerde organoรฏden van het menselijk brein ook worden, zolang ze zich in een rattenbrein bevinden, zullen ze worden blootgesteld aan rattenbloed, met zijn unieke profiel van voedingsstoffen en hormonen, in plaats van menselijk bloed. Neurowetenschappers kunnen dus systemen bestuderen die enigszins achterblijven bij de realiteit in de menselijke schedel.
Maar voor Paลca biedt dit nieuwe systeem de mogelijkheid om dichter dan ooit bij de grondwaarheid te komen over hoe veranderde neurobiologische processen neurologische en psychiatrische aandoeningen veroorzaken. Het transplanteren van organoรฏden in pasgeboren ratten biedt eindelijk een manier om de volledige kracht van moderne neurowetenschappelijke hulpmiddelen te gebruiken bij onderzoek naar de ontwikkeling van menselijke neuronen en circuits.
"Moeilijke problemen, zoals het begrijpen van psychiatrische stoornissen die unieke menselijke omstandigheden zijn, zullen een gedurfde aanpak vereisen", zei Paลca.
