Înțelegerea noastră asupra funcționării interioare a creierului uman a fost de mult împiedicată de dificultatea practică și etică de a observa neuronii umani care se dezvoltă, se conectează și interacționează. Astăzi, în un nou studiu publicat în Natură, neurologi de la Universitatea Stanford conduși de Sergiu Paşca raportează că au găsit o nouă modalitate de a studia neuronii umani - prin transplantul de țesut asemănător creierului uman în șobolani care au doar câteva zile, când creierul lor nu s-a format încă pe deplin. Cercetătorii arată că neuronii umani și alte celule ale creierului pot crește și se pot integra în creierul șobolanului, devenind parte a circuitelor neuronale funcționale care procesează senzațiile și controlează aspecte ale comportamentelor.
Folosind această tehnică, oamenii de știință ar trebui să fie capabili să creeze noi modele de viață pentru o gamă largă de tulburări de neurodezvoltare, inclusiv cel puțin unele forme de tulburare din spectrul autismului. Modelele ar fi la fel de practice pentru studiile de laborator neuroștiințifice precum sunt modelele animale actuale, dar ar fi substitute mai bune pentru tulburările umane, deoarece ar consta din celule umane reale în circuite neuronale funcționale. Ele ar putea fi ținte ideale pentru instrumentele moderne de neuroștiință care sunt prea invazive pentru a fi utilizate în creierul uman real.
„Această abordare este un pas înainte pentru domeniu și oferă o nouă modalitate de a înțelege tulburările de funcționare neuronală," a spus Madeline Lancaster, neurolog la Laboratorul MRC de Biologie Moleculară din Cambridge, Marea Britanie, care nu a fost implicat în lucrare.
Lucrarea marchează, de asemenea, un nou capitol interesant în utilizarea organoidelor neuronale. În urmă cu aproape 15 ani, biologii au descoperit că celulele stem umane s-ar putea auto-organiza și se pot dezvolta în sfere mici care conțineau diferite tipuri de celule și semănau cu țesutul cerebral. Acești organoizi au deschis o nouă fereastră în activitățile celulelor creierului, dar vederea își are limitele. În timp ce neuronii dintr-o antenă se pot conecta între ei și comunica electric, ei nu pot forma circuite cu adevărat funcționale sau nu pot atinge creșterea deplină și capacitatea de calcul a neuronilor sănătoși în habitatul lor natural, creierul.
Lucrare de pionierat de diferite grupuri de cercetare au demonstrat cu ani în urmă că organoizii creierului uman ar putea fi inserate în creierul șobolanilor adulți și să supraviețuiască. Dar noul studiu arată pentru prima dată că creierul în creștere al unui șobolan nou-născut va accepta neuronii umani și le va permite să se maturizeze, integrându-i totodată în circuitele locale capabile să conducă comportamentul șobolanului.
Pașca a subliniat că există „o mie de motive să credem că nu ar funcționa”, având în vedere diferențele drastice în modul și când se dezvoltă sistemele nervoase ale celor două specii. Și totuși a funcționat, celulele umane găsind indicii de care aveau nevoie pentru a face conexiuni esențiale.
„Acesta este un studiu foarte necesar și elegant, care orientează domeniul în direcția corectă de a căuta abordări pentru a avansa relevanța fiziologică a organoizilor creierului uman pentru a modela etapele ulterioare ale dezvoltării creierului uman”, a spus. Giorgia Quadrato, neurolog la Universitatea din California de Sud.
Înțelegerea proceselor celulare și moleculare care merg prost în neuroni și duc la tulburări ale creierului a fost întotdeauna motivația lui Pașca. [Nota editorului: vezi interviu însoțitor cu Paşca despre viaţa, cariera şi motivaţiile pentru munca sa.] Deoarece multe tulburări psihiatrice și neurologice prind rădăcini în creier în timpul dezvoltării – chiar dacă simptomele nu pot apărea decât ani mai târziu – urmărirea modului în care neuronii se dezvoltă a părut cea mai bună modalitate de a umple golurile în înțelegerea noastră. De aceea, obiectivul lui Paşca a fost transplantul de organoizi ai creierului uman în şobolani nou-născuţi încă de când a început să lucreze cu neuronii într-un vas în urmă cu 13 ani.
În noua lucrare — care a fost condusă și de colegii lui Pașca la Stanford Felicity Gore, Kevin Kelley și Omer Revah (acum la Universitatea Ebraică din Ierusalim) - echipa a introdus organoizi corticali ai creierului uman în cortexul somatosenzorial al puiilor de șobolan foarte tineri, înainte ca circuitele creierului puilor să fie pe deplin stabilite. Acest lucru a oferit neuronilor umani șansa de a primi conexiuni pe distanță lungă de la o regiune cheie care procesează informațiile senzoriale primite. Apoi, cercetătorii au așteptat să vadă dacă organoidul va crește împreună cu restul creierului în curs de dezvoltare al șobolanului.
„Am descoperit că, dacă introducem organoidul în acea fază incipientă... acesta crește de până la nouă ori mai mare decât era inițial pe o perioadă de patru sau cinci luni”, a spus Pașca. Aceasta s-a tradus într-o zonă de țesut cerebral asemănător omului care acoperea aproximativ o treime din emisferele creierului unui șobolan.
Dar chiar dacă neuronii umani au rămas împreună în zona corticală în care au fost plasați chirurgical, cercetătorii au demonstrat că au devenit părți active ale circuitelor neuronale înfipte adânc în creierul șobolanului. Majoritatea neuronilor umani transplantați au început să răspundă la senzațiile de atingere de la mustățile șobolanului: atunci când pufurile de aer au fost direcționate către mustăți, neuronii umani au devenit mai activi electric.
Și mai surprinzător, fluxul de semnale neuronale ar putea rula și în cealaltă direcție și ar putea influența comportamentul. Când neuronii umani au fost stimulați cu lumină albastră (printr-o tehnică numită optogenetică), a declanșat un comportament condiționat la șobolani care i-a făcut să caute o recompensă lingând mai des o sticlă de apă.
„Asta înseamnă că de fapt am integrat celule umane în circuite”, a spus Pașca. „Nu înseamnă schimbarea circuitelor. … Doar că celulele umane fac acum parte din el.”
Celulele transplantate nu au imitat perfect țesutul creierului uman în noul lor cadru. De exemplu, ei nu s-au organizat în aceeași structură multistratificată văzută în cortexul uman. (Nici nu au urmat conducerea neuronilor de șobolan din jur și au format coloanele în formă de butoi caracteristice cortexului somatosenzorial al șobolanului.) Dar neuronii individuali transplantați au păstrat multe dintre proprietățile electrice și structurale umane normale.
Celulele au profitat de un avantaj major de a fi în interiorul creierului: s-au conectat cu succes cu sistemul vascular al creierului de șobolan, permițând vaselor de sânge să pătrundă în țesut pentru a furniza oxigen și hormoni. Lipsa rezervei de sânge este considerată a fi un motiv major pentru care neuronii umani care cresc într-un vas de rutină nu se maturizează pe deplin, împreună cu lipsa semnalelor neuronale care sunt probabil necesare pentru a modela dezvoltarea, a explicat Pașca. Când echipa sa a comparat neuronii umani transplantați cu cei care trăiesc într-un vas, au descoperit că neuronii transplantați erau de șase ori mai mari, cu o dimensiune și un profil de activitate electrică mai apropiate de cea a neuronilor din țesutul natural al creierului uman.
„Există ceva despre mediul in vivo – deci, nutrienții și semnalele electrice pe care le primesc în creier – care aduce celulele umane la un alt nivel de maturizare”, a spus Pașca.
Deoarece neuronii umani s-au maturizat atât de mult în creierul șobolanului, Pașca și colegii săi au putut observa diferențe neobișnuite în dezvoltarea organoizilor creierului derivați de la persoanele cu o tulburare genetică numită sindrom Timothy, care provoacă adesea autism și epilepsie. În creierul de șobolan, neuronii umani transplantați purtători de gene pentru sindromul Timothy au crescut ramuri dendritice anormale care au făcut conexiuni neobișnuite. În mod esențial, unele dintre aceste evoluții atipice au putut fi observate doar în neuronii umani care cresc în cortexul șobolanului, și nu în neuronii organoizi dintr-o farfurie.
Paşca subliniază că până acum, aceste tipuri de modificări subtile ale neuronilor în maturare care afectează funcţia creierului şi duc la tulburări neurologice şi psihiatrice ne-au fost în mare măsură ascunse.
„Rezultatele sunt foarte interesante”, a spus Bennett Novitch, neurolog și biolog de celule stem la Universitatea din California, Los Angeles. Studiile in vitro ale țesuturilor neuronale vor fi în continuare mai rapide și mai practice pentru multe tipuri de studii neurologice și teste de droguri, a remarcat el, dar noua lucrare „ilustrează modul în care dezvăluirea caracteristicilor mature ale neuronilor umani... este încă cel mai bine realizată în cadrul in vivo. .”
Pașca speră că posibilitatea de a studia neuronii umani maturi la șobolani va aduce în sfârșit mai aproape tratamentele pentru tulburările psihice și afecțiunile neurologice. Și alții din domeniu sunt plini de speranță. „Dacă această strategie de transplant de organoid poate imita cu adevărat semnăturile bolii, acest lucru ne-ar putea accelera cu adevărat calea către remedii”, a spus Joel Blanchard, un neuroștiință la Școala de Medicină Icahn din Muntele Sinai.
Natura noii lucrări poate ridica întrebări cu privire la bunăstarea și tratamentul etic al șobolanilor. Din acest motiv, Paşca şi colegii săi au purtat încă de la început discuţii active cu eticieni. Ca în toate experimentele care implică animale, a existat o cerință legală ca șobolanii să fie monitorizați pe larg de tehnicieni de laborator cu autoritatea de a opri experimentul în orice moment. Dar nu s-au găsit diferențe la șobolanii cu organoizi din creier uman transplantați într-o serie de teste comportamentale și cognitive.
Insoo Hyun, un bioetician afiliat la Centrul de Bioetică al Școlii de Medicină Harvard, a spus că nu are nicio preocupare etică cu privire la experimentele actuale. Echipa lui Paşca a urmat toate liniile directoare elaborate de Societatea Internaţională pentru Cercetarea Celulelor Stem care guvernează cercetarea cu organoizi din creierul uman şi transferul de celule umane la animale. „Pentru mine, problema este cu adevărat înțelegătoare: unde pleci de acolo?” el a spus.
Hyun este mai îngrijorat de alte echipe de cercetare care ar putea deveni acum interesate de transplantul de organoizi din creierul uman în specii mai asemănătoare cu ale noastre, cum ar fi primatele non-umane. „Ar trebui să ai o conversație foarte intensă la nivel de supraveghere a motivului pentru care ești justificat să mergi la ceva mai complex”, a spus Hyun.
Paşca spune că el şi colegii săi nu sunt interesaţi de astfel de experimente care depăşesc limitele. El crede, de asemenea, că dificultatea creșterii și susținerii organoidelor pentru transplant va reduce cercetarea cea mai potențial nesăbuită. „Există puține locuri cu infrastructura și expertiza necesare pentru a face acest lucru”, a spus el.
Provocările științifice mai imediate și practice constau în îmbunătățirea organoizilor creierului uman care sunt transplantați la șobolani. Fără îndoială, mai este un drum lung de parcurs. În prezent, țesutului asemănător creierului uman lipsesc multe celule importante ale creierului dincolo de neuroni, cum ar fi microglia și astrocitele, precum și neuronii implicați în inhibarea activității altor neuroni. Echipa lui Pașca lucrează în prezent la experimente care vor transplanta „ansambloizi” – seturi de organoizi reprezentând diferite regiuni ale creierului ale căror celule migrează și interacționează unele cu altele.
Pot exista limite la cât de mult se pot aplica descoperirile de la neuronii umani dintr-un creier de șobolan la un creier uman natural. Sobolanii folositi in aceste studii de transplant se nasc cu un sistem imunitar defect, din cauza unei mutatii genetice. Acest lucru le face foarte potrivite pentru transplanturi, deoarece sistemul lor imunitar este mai puțin probabil să respingă celulele umane implantate. Dar înseamnă, de asemenea, că studiile asupra bolilor neurodegenerative precum Alzheimer, despre care se știe că au componente imunitare, pot fi mai dificile. Și oricât de realiști devin organoizii transplantați din creierul uman, atâta timp cât se află într-un creier de șobolan, ei vor fi expuși la sângele de șobolan, cu profilul său unic de nutrienți și hormoni, mai degrabă decât sângele uman. Oamenii în neuroștiință ar putea astfel să studieze sisteme care sunt oarecum sub realitatea din craniul uman.
Dar pentru Paşca, acest nou sistem oferă oportunitatea de a se apropia mai mult ca niciodată de adevărul de bază despre modul în care procesele neurobiologice alterate provoacă tulburări neurologice și psihiatrice. Transplantarea organoizilor în șobolani nou-născuți oferă în sfârșit o modalitate de a folosi întreaga putere a instrumentelor moderne de neuroștiință în cercetarea dezvoltării neuronilor și circuitelor umane.
„Problemele dificile, cum ar fi înțelegerea tulburărilor psihice care sunt condiții unice umane, vor necesita abordări îndrăznețe”, a spus Pașca.
