Vår forståelse av den menneskelige hjernens indre funksjon har lenge vært holdt tilbake av den praktiske og etiske vanskeligheten med å observere menneskelige nevroner utvikle, koble sammen og samhandle. I dag, i en ny studie publisert i Natur, nevrovitenskapsmenn ved Stanford University ledet av Sergiu Paşca rapporterer at de har funnet en ny måte å studere menneskelige nevroner - ved å transplantere menneskelig hjernelignende vev inn i rotter som bare er dager gamle, når hjernen deres ennå ikke er fullstendig dannet. Forskerne viser at menneskelige nevroner og andre hjerneceller kan vokse og integrere seg i rottens hjerne, og bli en del av det funksjonelle nevrale kretsløpet som behandler sensasjoner og kontrollerer aspekter av atferd.
Ved å bruke denne teknikken bør forskere være i stand til å lage nye levende modeller for et bredt spekter av nevroutviklingsforstyrrelser, inkludert i det minste noen former for autismespekterforstyrrelser. Modellene ville være like praktiske for nevrovitenskapelige laboratoriestudier som dagens dyremodeller er, men ville være bedre stand-ins for menneskelige lidelser fordi de ville bestå av ekte menneskelige celler i funksjonelle nevrale kretsløp. De kan være ideelle mål for moderne nevrovitenskapelige verktøy som er for invasive til å bruke i ekte menneskelige hjerner.
"Denne tilnærmingen er et skritt fremover for feltet og tilbyr en ny måte å forstå forstyrrelser i nevronal funksjon," sa Madeline Lancaster, en nevroforsker ved MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, U.K., som ikke var involvert i arbeidet.
Verket markerer også et spennende nytt kapittel i bruken av nevrale organoider. For nesten 15 år siden oppdaget biologer at menneskelige stamceller kunne selvorganisere seg og vokse til små kuler som holdt forskjellige typer celler og lignet hjernevev. Disse organoidene åpnet et nytt vindu inn i hjernecellenes aktiviteter, men utsikten har sine grenser. Mens nevroner i en tallerken kan kobles til hverandre og kommunisere elektrisk, kan de ikke danne virkelig funksjonelle kretsløp eller oppnå full vekst og beregningsdyktighet til sunne nevroner i deres naturlige habitat, hjernen.
Banebrytende arbeid av forskjellige forskningsgrupper bevist for år siden at menneskelige hjerneorganoider kunne settes inn i hjernen til voksne rotter og overleve. Men den nye studien viser for første gang at den spirende hjernen til en nyfødt rotte vil akseptere menneskelige nevroner og tillate dem å modnes, samtidig som de integreres i lokale kretsløp som er i stand til å drive rottens oppførsel.
Paşca påpekte at det var "tusen grunner til å tro at det ikke ville fungere," gitt de drastiske forskjellene i hvordan og når nervesystemene til de to artene utvikler seg. Og likevel fungerte det, med de menneskelige cellene som fant ledetrådene de trengte for å lage viktige forbindelser.
"Dette er en sårt tiltrengt og elegant studie som styrer feltet i riktig retning for å lete etter tilnærminger for å fremme den fysiologiske relevansen til menneskelige hjerneorganoider for å modellere senere stadier av menneskelig hjerneutvikling," sa Giorgia Quadrato, en nevroforsker ved University of South California.
Å forstå de cellulære og molekylære prosessene som går galt i nevroner og fører til hjernesykdommer har alltid vært Paşcas motivasjon. [Redaktørens merknad: Se medfølgende intervju med Paşca om hans liv, karriere og motivasjon for arbeidet hans.] Fordi mange psykiatriske og nevrologiske lidelser slår rot i hjernen under utvikling – selv om symptomene kanskje ikke dukker opp før år senere – har det å se hvordan nevroner utvikler seg virket som den beste måten å fylle tomrommene i vår forståelse. Det er derfor det har vært Paşcas mål å transplantere menneskelige hjerneorganoider til nyfødte rotter helt siden han begynte å jobbe med nevroner i en rett for 13 år siden.
I det nye arbeidet - som også ble ledet av Paşcas Stanford-kolleger Felicity Gore, Kevin Kelley og Omer Revah (nå ved det hebraiske universitetet i Jerusalem) – teamet satte inn kortikale menneskelige hjerneorganoider i den somatosensoriske cortexen til svært unge rotteunger, før valpenes hjernekretsløp var fullt etablert. Dette ga de menneskelige nevronene en sjanse til å motta langdistanseforbindelser fra en nøkkelregion som behandler innkommende sensorisk informasjon. Så ventet forskerne for å se om organoiden ville vokse i samsvar med resten av rottens utviklende hjerne.
"Vi oppdaget at hvis vi satte inn organoiden på det tidlige stadiet ... vokser den opp til ni ganger større enn den opprinnelig var over en periode på fire eller fem måneder," sa Paşca. Det ble oversatt til et område med menneskelignende hjernevev som dekket omtrent en tredjedel av en av rottens hjernehalvdel.
Men selv om de menneskelige nevronene holdt seg sammen i det kortikale området der de ble kirurgisk plassert, viste forskerne at de ble aktive deler av det nevrale kretsløpet tredd dypt inne i rottens hjerne. De fleste av de transplanterte menneskelige nevronene begynte å reagere på berøringsfølelser fra rottens værhår: Når luftpust ble rettet mot værhårene, ble de menneskelige nevronene mer elektrisk aktive.
Enda mer overraskende kan strømmen av nevrale signaler også løpe i den andre retningen og påvirke atferd. Når de menneskelige nevronene ble stimulert med blått lys (gjennom en teknikk kalt optogenetics), utløste det en betinget atferd hos rottene som fikk dem til å søke en belønning ved å slikke oftere på en vannflaske.
"Det betyr at vi faktisk har integrert menneskelige celler i kretsløpet," sa Paşca. "Det endrer ikke kretsene. … Det er bare det at menneskelige celler nå er en del av det.»
De transplanterte cellene etterlignet ikke menneskelig hjernevev perfekt i deres nye omgivelser. For eksempel organiserte de seg ikke i den samme flerlagsstrukturen sett i den menneskelige cortex. (De fulgte heller ikke ledelsen til omkringliggende rotte-nevroner og dannet de tønnelignende søylene som er karakteristiske for rottens somatosensoriske cortex.) Men de individuelle transplanterte nevronene beholdt mange av de normale menneskelige elektriske og strukturelle egenskapene.
Cellene utnyttet en stor fordel ved å være inne i en hjerne: De koblet seg med hell til rottehjernens vaskulære system, slik at blodårene kunne trenge gjennom vevet for å levere oksygen og hormoner. Mangelen på blodtilførsel antas å være en hovedårsak til at menneskelige nevroner som vokser i en tallerken rutinemessig ikke klarer å modnes fullt ut, sammen med mangel på nevrale signalinnganger som sannsynligvis er nødvendig for å forme utviklingen, forklarte Paşca. Da teamet hans sammenlignet de transplanterte menneskelige nevronene med de som bodde i en tallerken, fant de ut at de transplanterte nevronene var seks ganger større, med en størrelse og elektrisk aktivitetsprofil som var nærmere den til nevroner fra naturlig menneskelig hjernevev.
"Det er noe med in vivo-miljøet - så næringsstoffene og de elektriske signalene som de mottar i hjernen - som bringer menneskelige celler til et annet nivå av modning," sa Paşca.
Fordi de menneskelige nevronene modnet så mye i rottehjernene, kunne Paşca og hans kolleger se uvanlige forskjeller i utviklingen av hjerneorganoider avledet fra mennesker med en genetisk lidelse kalt Timothy syndrom, som ofte forårsaker autisme og epilepsi. I rottehjernene vokste de transplanterte menneskelige nevronene som bærer gener for Timothy syndrom unormale dendritiske grener som laget uvanlige forbindelser. Avgjørende er at noen av disse atypiske utviklingene bare kunne sees i menneskelige nevroner som vokser i rottebarken, og ikke i organoide nevroner i en tallerken.
Paşca understreker at til nå har denne typen subtile endringer i modnende nevroner som påvirker hjernefunksjonen og fører til nevrologiske og psykiatriske lidelser i stor grad vært skjult for oss.
"Resultatene er veldig spennende," sa Bennett Novitch, en nevroforsker og stamcellebiolog ved University of California, Los Angeles. In vitro-studier av nevrale vev vil fortsatt være raskere og mer praktiske for mange typer nevrologiske studier og medikamenttester, bemerket han, men den nye artikkelen "illustrerer hvordan avsløring av de modne egenskapene til menneskelige nevroner ... fortsatt best oppnås i in vivo-settingen ."
Paşca håper at det å kunne studere modne menneskelige nevroner i rotter endelig vil bringe behandlinger for psykiatriske lidelser og nevrologiske tilstander nærmere. Andre i feltet er også håpefulle. "Hvis denne organoidtransplantasjonsstrategien virkelig kan etterligne sykdomssignaturer, kan dette virkelig akselerere vår vei mot kurer," sa Joel Blanchard, en nevroforsker ved Icahn School of Medicine ved Mount Sinai.
Arten av det nye arbeidet kan reise spørsmål om velferd og etisk behandling av rottene. Av den grunn har Paşca og hans kolleger hatt aktive diskusjoner med etikere fra begynnelsen. Som i alle forsøk som involverer dyr, var det et lovkrav om at rottene skal overvåkes grundig av laboratorieteknikere med myndighet til å stoppe forsøket når som helst. Men ingen forskjeller ble funnet hos rottene med transplanterte menneskelige hjerneorganoider i en rekke atferdsmessige og kognitive tester.
Insoo Hyun, en bioetiker tilknyttet Harvard Medical Schools Center for Bioethics, sa at han ikke har noen etiske bekymringer om de nåværende eksperimentene. Paşcas team fulgte alle retningslinjene utviklet av International Society for Stem Cell Research som styrer forskning med menneskelige hjerneorganoider og overføring av menneskelige celler til dyr. "For meg er problemet virkelig forståelse: Hvor går du derfra?" han sa.
Hyun er mer bekymret for andre forskerteam som nå kan bli interessert i å transplantere menneskelige hjerneorganoider til arter som ligner mer på vår egen, for eksempel ikke-menneskelige primater. "Du må ha en veldig intens samtale på tilsynsnivå om hvorfor du er berettiget til å gå til noe mer komplekst," sa Hyun.
Paşca sier at han og kollegene ikke har noen interesse for slike grenseoverskridende eksperimenter. Han tror også at vanskeligheten med å dyrke og opprettholde organoider for transplantasjon vil dempe mest potensielt hensynsløs forskning. "Det er få steder med infrastrukturen og ekspertisen som trengs for å gjøre dette," sa han.
De mer umiddelbare og praktiske vitenskapelige utfordringene ligger i å forbedre menneskelige hjerneorganoider som blir transplantert til rotter. Det er utvilsomt fortsatt en lang vei å gå. Det menneskelige hjernelignende vevet mangler for tiden mange viktige hjerneceller utover nevroner, som mikroglia og astrocytter, samt nevroner som er involvert i å hemme aktiviteten til andre nevroner. Paşcas team jobber for tiden med eksperimenter som vil transplantere "assembloids" - sett med organoider som representerer forskjellige hjerneregioner hvis celler migrerer og samhandler med hverandre.
Det kan være grenser for hvor mye funnene fra menneskelige nevroner i en rottehjerne kan gjelde for en naturlig menneskelig hjerne. Rottene som ble brukt i disse transplantasjonsstudiene er født med et defekt immunsystem, på grunn av en genetisk mutasjon. Det gjør dem godt egnet for transplantasjoner, siden deres immunsystem er mindre sannsynlig å avstøte de implanterte menneskelige cellene. Men det betyr også at studier av nevrodegenerative sykdommer som Alzheimers som er kjent for å ha immunkomponenter kan være vanskeligere. Og uansett hvor realistiske de transplanterte menneskelige hjerneorganoidene blir, så lenge de er i en rottehjerne, vil de bli utsatt for rotteblod, med sin unike profil av næringsstoffer og hormoner, i stedet for menneskeblod. Nevrovitenskapsmenn kan dermed studere systemer som faller noe under virkeligheten i menneskeskallen.
Men for Paşca gir dette nye systemet muligheten til å komme nærmere sannheten enn noen gang om hvordan endrede nevrobiologiske prosesser forårsaker nevrologiske og psykiatriske lidelser. Å transplantere organoider til nyfødte rotter gir endelig en måte å bruke den fulle styrken til moderne nevrovitenskapelige verktøy i forskning på utvikling av menneskelige nevroner og kretsløp.
"Vanskelige problemer, som å forstå psykiatriske lidelser som er unike menneskelige forhold, vil kreve dristige tilnærminger," sa Paşca.
