ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการทำงานภายในของสมองมนุษย์ถูกระงับโดยความยากลำบากในทางปฏิบัติและจริยธรรมในการสังเกตเซลล์ประสาทของมนุษย์ในการพัฒนา เชื่อมต่อ และโต้ตอบกัน วันนี้ใน การศึกษาใหม่ ตีพิมพ์ใน ธรรมชาติ, นักประสาทวิทยาจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด นำโดย เซอร์จิอู ปาสกา รายงานว่าพวกเขาได้พบวิธีใหม่ในการศึกษาเซลล์ประสาทของมนุษย์ โดยการย้ายเนื้อเยื่อคล้ายสมองของมนุษย์ไปเป็นหนูที่อายุเพียงไม่กี่วัน เมื่อสมองของพวกมันยังก่อตัวไม่เต็มที่ นักวิจัยแสดงให้เห็นว่าเซลล์ประสาทของมนุษย์และเซลล์สมองอื่นๆ สามารถเติบโตและรวมเข้ากับสมองของหนูได้ กลายเป็นส่วนหนึ่งของวงจรประสาทที่ทำหน้าที่ประมวลผลความรู้สึกและควบคุมพฤติกรรมต่างๆ
การใช้เทคนิคนี้ นักวิทยาศาสตร์ควรจะสามารถสร้างแบบจำลองการใช้ชีวิตใหม่สำหรับความผิดปกติทางพัฒนาการทางระบบประสาทที่หลากหลาย ซึ่งรวมถึงรูปแบบของโรคออทิสติกสเปกตรัมอย่างน้อยบางรูปแบบ แบบจำลองจะเป็นประโยชน์สำหรับการศึกษาในห้องปฏิบัติการทางประสาทวิทยาเช่นเดียวกับแบบจำลองของสัตว์ในปัจจุบัน แต่จะเป็นการดีกว่าสำหรับความผิดปกติของมนุษย์เพราะจะประกอบด้วยเซลล์ของมนุษย์จริงในวงจรประสาทที่ใช้งานได้ พวกเขาอาจเป็นเป้าหมายในอุดมคติสำหรับเครื่องมือประสาทวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ที่รุกรานเกินกว่าจะใช้ในสมองของมนุษย์จริงๆ
“วิธีการนี้เป็นก้าวไปข้างหน้าสำหรับภาคสนามและนำเสนอวิธีใหม่ในการทำความเข้าใจความผิดปกติของการทำงานของเส้นประสาท," กล่าว แมดเดอลีน แลงคาสเตอร์นักประสาทวิทยาที่ MRC Laboratory of Molecular Biology ในเมืองเคมบริดจ์ สหราชอาณาจักร ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในงานนี้
งานนี้ยังถือเป็นบทใหม่ที่น่าตื่นเต้นในการใช้สารอินทรีย์ประสาท เกือบ 15 ปีที่แล้ว นักชีววิทยาค้นพบว่าสเต็มเซลล์ของมนุษย์สามารถจัดระเบียบตัวเองและเติบโตเป็นทรงกลมขนาดเล็กที่มีเซลล์ประเภทต่างๆ และมีลักษณะคล้ายเนื้อเยื่อสมอง สารอินทรีย์เหล่านี้ได้เปิดหน้าต่างใหม่ให้กับกิจกรรมของเซลล์สมอง แต่มุมมองก็มีขีดจำกัด ในขณะที่เซลล์ประสาทในจานสามารถเชื่อมต่อซึ่งกันและกันและสื่อสารด้วยไฟฟ้า พวกมันไม่สามารถสร้างวงจรที่ใช้งานได้จริงหรือบรรลุการเติบโตอย่างเต็มที่และความสามารถในการคำนวณของเซลล์ประสาทที่มีสุขภาพดีในที่อยู่อาศัยตามธรรมชาติของพวกมัน นั่นคือสมอง
งานบุกเบิก โดยกลุ่มวิจัยต่างๆ ได้รับการพิสูจน์เมื่อหลายปีก่อนว่าอวัยวะในสมองของมนุษย์สามารถแทรกเข้าไปในสมองของหนูที่โตเต็มวัยและอยู่รอดได้ แต่ผลการศึกษาใหม่แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าสมองที่กำลังเติบโตของหนูแรกเกิดจะยอมรับเซลล์ประสาทของมนุษย์และปล่อยให้พวกมันเติบโตเต็มที่ ในขณะเดียวกันก็รวมเข้ากับวงจรท้องถิ่นที่สามารถขับเคลื่อนพฤติกรรมของหนูได้
Paşca ชี้ให้เห็นว่ามี “เหตุผลนับพันที่เชื่อไม่ได้ผล” เมื่อพิจารณาจากความแตกต่างอย่างมากในวิธีและเวลาที่ระบบประสาทของทั้งสองสายพันธุ์พัฒนา และถึงกระนั้น มันก็ใช้ได้ผล โดยที่เซลล์ของมนุษย์ค้นพบเบาะแสที่จำเป็นต่อการเชื่อมโยงที่จำเป็น
"นี่เป็นการศึกษาที่จำเป็นและสง่างามมากซึ่งนำพาภาคสนามไปในทิศทางที่ถูกต้องในการมองหาแนวทางในการพัฒนาความเกี่ยวข้องทางสรีรวิทยาของอวัยวะในสมองของมนุษย์เพื่อสร้างแบบจำลองระยะหลังของการพัฒนาสมองของมนุษย์" กล่าว จิออร์เจีย ควอดราโตนักประสาทวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนีย
การทำความเข้าใจกระบวนการระดับเซลล์และระดับโมเลกุลที่ผิดพลาดในเซลล์ประสาทและนำไปสู่ความผิดปกติของสมองนั้นเป็นแรงจูงใจของPaşcaเสมอมา [หมายเหตุบรรณาธิการ: ดู พร้อมสัมภาษณ์ กับPaşcaเกี่ยวกับชีวิต อาชีพ และแรงจูงใจในการทำงานของเขา] เนื่องจากความผิดปกติทางจิตเวชและระบบประสาทจำนวนมากหยั่งรากในสมองในระหว่างการพัฒนา แม้ว่าอาการจะไม่เกิดขึ้นจนกระทั่งหลายปีต่อมา การเฝ้าดูการพัฒนาของเซลล์ประสาทดูเหมือนจะเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการเติมเต็มช่องว่างในความเข้าใจของเรา นั่นคือเหตุผลที่ Paşca มีเป้าหมายที่จะปลูกถ่ายอวัยวะในสมองของมนุษย์ให้กลายเป็นหนูแรกเกิด นับตั้งแต่เขาเริ่มทำงานกับเซลล์ประสาทในจานเมื่อ 13 ปีที่แล้ว
ในงานใหม่ — ซึ่งนำโดยเพื่อนร่วมงาน Stanford ของPaşcaด้วย เฟลิซิตี้ กอร์, Kevin Kelley และ Omer Revah (ปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัยฮิบรูแห่งเยรูซาเลม) - ทีมงานได้ใส่อวัยวะในสมองของมนุษย์ในคอร์เทกซ์เข้าไปในคอร์เทกซ์รับความรู้สึกทางกายของลูกหนูตัวน้อย ก่อนที่วงจรสมองของลูกสุนัขจะถูกสร้างขึ้นอย่างสมบูรณ์ สิ่งนี้ทำให้เซลล์ประสาทของมนุษย์มีโอกาสได้รับการเชื่อมต่อระยะไกลจากบริเวณสำคัญที่ประมวลผลข้อมูลทางประสาทสัมผัสที่เข้ามา จากนั้นนักวิจัยก็รอดูว่าออร์กานอยด์จะเติบโตไปพร้อมกับสมองที่กำลังพัฒนาของหนูที่เหลือหรือไม่
“เราค้นพบว่าหากเราใส่ออร์กานอยด์ในระยะแรกนั้น … มันจะโตมากกว่าเดิมถึงเก้าเท่าในช่วงสี่หรือห้าเดือน” Paşca กล่าว นั่นแปลเป็นพื้นที่ของเนื้อเยื่อสมองที่เหมือนมนุษย์ซึ่งครอบคลุมประมาณหนึ่งในสามของหนึ่งในซีกของสมองของหนู
แม้ว่าเซลล์ประสาทของมนุษย์จะอยู่ด้วยกันในบริเวณเยื่อหุ้มสมองที่พวกเขาถูกผ่าตัด นักวิจัยก็แสดงให้เห็นว่าพวกมันกลายเป็นส่วนที่ใช้งานของวงจรประสาทที่ฝังลึกอยู่ในสมองของหนู เซลล์ประสาทของมนุษย์ที่ปลูกถ่ายส่วนใหญ่เริ่มตอบสนองต่อความรู้สึกสัมผัสจากหนวดเคราของหนู: เมื่อมีการพ่นลมไปที่หนวดเครา เซลล์ประสาทของมนุษย์จะมีปฏิกิริยาทางไฟฟ้ามากขึ้น
ที่น่าแปลกใจยิ่งกว่านั้นก็คือ การไหลของสัญญาณประสาทยังสามารถวิ่งไปในทิศทางอื่นและมีอิทธิพลต่อพฤติกรรม เมื่อเซลล์ประสาทของมนุษย์ถูกกระตุ้นด้วยแสงสีฟ้า (ผ่านเทคนิคที่เรียกว่าออพโตเจเนติกส์) เซลล์ประสาทจะกระตุ้นพฤติกรรมที่มีเงื่อนไขในหนูที่ทำให้พวกเขาแสวงหารางวัลโดยการเลียที่ขวดน้ำบ่อยขึ้น
"นั่นหมายความว่าเราได้รวมเซลล์ของมนุษย์เข้ากับวงจรแล้ว" Paşcaกล่าว “มันไม่ได้เปลี่ยนวงจร … ตอนนี้เซลล์ของมนุษย์เป็นส่วนหนึ่งของมันแล้ว”
เซลล์ที่ปลูกถ่ายไม่ได้เลียนแบบเนื้อเยื่อสมองของมนุษย์อย่างสมบูรณ์ในสภาพแวดล้อมใหม่ ตัวอย่างเช่น พวกเขาไม่ได้จัดระเบียบตัวเองในโครงสร้างหลายชั้นแบบเดียวกับที่เห็นในเยื่อหุ้มสมองของมนุษย์ (และไม่ได้ทำตามการนำของเซลล์ประสาทของหนูที่อยู่รอบๆ และสร้างลักษณะคอลัมน์คล้ายลำกล้องของเยื่อหุ้มสมองรับความรู้สึกทางร่างกายของหนู) แต่เซลล์ประสาทที่ปลูกถ่ายแต่ละเซลล์ยังคงรักษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าและโครงสร้างของมนุษย์ไว้มากมาย
เซลล์ใช้ประโยชน์จากข้อดีที่สำคัญอย่างหนึ่งของการอยู่ในสมอง นั่นคือ เซลล์เหล่านี้เชื่อมโยงกับระบบหลอดเลือดของสมองของหนูได้สำเร็จ ซึ่งช่วยให้หลอดเลือดซึมผ่านเนื้อเยื่อเพื่อส่งออกซิเจนและฮอร์โมน การขาดเลือดไปเลี้ยงนั้นคิดว่าเป็นสาเหตุสำคัญว่าทำไมเซลล์ประสาทของมนุษย์ที่เติบโตในจานจึงไม่สามารถเติบโตเต็มที่ได้ตามปกติ พร้อมกับการขาดสัญญาณประสาทที่อาจจำเป็นต่อการพัฒนารูปร่าง Paşca อธิบาย เมื่อทีมของเขาเปรียบเทียบเซลล์ประสาทของมนุษย์ที่ปลูกถ่ายกับเซลล์ประสาทที่อาศัยอยู่ในจาน พวกเขาพบว่าเซลล์ประสาทที่ปลูกถ่ายนั้นมีขนาดใหญ่กว่าถึง XNUMX เท่า โดยมีขนาดและโปรไฟล์กิจกรรมทางไฟฟ้าที่ใกล้เคียงกับเซลล์ประสาทจากเนื้อเยื่อสมองของมนุษย์ตามธรรมชาติ
“มีบางอย่างเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมในร่างกาย — ดังนั้น สารอาหารและสัญญาณไฟฟ้าที่พวกเขาได้รับในสมอง — ที่ทำให้เซลล์ของมนุษย์เติบโตไปอีกระดับหนึ่ง” Paşca กล่าว
เนื่องจากเซลล์ประสาทของมนุษย์เติบโตเต็มที่ในสมองของหนู Paşca และเพื่อนร่วมงานของเขาจึงสามารถเห็นความแตกต่างที่ผิดปกติในการพัฒนาสารอินทรีย์ในสมองที่ได้จากคนที่มีความผิดปกติทางพันธุกรรมที่เรียกว่า Timothy syndrome ซึ่งมักทำให้เกิดออทิสติกและโรคลมบ้าหมู ในสมองของหนู เซลล์ประสาทของมนุษย์ที่ปลูกถ่ายซึ่งมียีนสำหรับโรค Timothy ขยายกิ่งก้านของเดนไดรต์ที่ผิดปกติซึ่งทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่ผิดปกติ สิ่งสำคัญที่สุดคือ พัฒนาการที่ผิดปรกติบางอย่างเหล่านี้สามารถเห็นได้เฉพาะในเซลล์ประสาทของมนุษย์ที่เติบโตภายในเปลือกนอกของหนู และไม่พบในเซลล์ประสาทออร์แกนอยด์ในจาน
Paşcaเน้นว่าจนถึงขณะนี้ การเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ เหล่านี้ในเซลล์ประสาทที่โตเต็มที่ซึ่งส่งผลต่อการทำงานของสมองและนำไปสู่ความผิดปกติทางระบบประสาทและทางจิตเวช ส่วนใหญ่ซ่อนเร้นจากเรา
“ผลลัพธ์น่าตื่นเต้นมาก” . กล่าว เบนเน็ตต์ โนวิชนักประสาทวิทยาและนักชีววิทยาเซลล์ต้นกำเนิดจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแองเจลิส การศึกษาในหลอดทดลองของเนื้อเยื่อประสาทจะยังคงเร็วและใช้งานได้จริงมากขึ้นสำหรับการศึกษาทางระบบประสาทและการทดสอบยาหลายประเภท เขาตั้งข้อสังเกต แต่เอกสารฉบับใหม่นี้ “แสดงให้เห็นว่าการเปิดเผยลักษณะที่โตเต็มที่ของเซลล์ประสาทของมนุษย์ … ยังคงประสบความสำเร็จได้ดีที่สุดในการตั้งค่าในร่างกาย ”
Paşca หวังว่าความสามารถในการศึกษาเซลล์ประสาทของมนุษย์ที่โตเต็มที่ภายในหนูจะทำให้การรักษาความผิดปกติทางจิตเวชและสภาวะทางระบบประสาทเข้าใกล้มากขึ้น คนอื่นๆ ในสนามก็มีความหวังเช่นกัน "ถ้ากลยุทธ์การปลูกถ่ายอวัยวะนี้สามารถเลียนแบบลายเซ็นของโรคได้อย่างแท้จริง สิ่งนี้สามารถเร่งเส้นทางของเราไปสู่การรักษาได้" . กล่าว โจเอล แบลนชาร์ดนักประสาทวิทยาจาก Icahn School of Medicine ที่ Mount Sinai
ลักษณะของงานใหม่นี้อาจทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับสวัสดิภาพและการปฏิบัติต่อหนูอย่างมีจริยธรรม ด้วยเหตุผลดังกล่าว Paşca และเพื่อนร่วมงานของเขาจึงได้พูดคุยกับนักจริยธรรมอย่างจริงจังตั้งแต่ต้น ในการทดลองทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับสัตว์ มีข้อกำหนดทางกฎหมายว่าหนูจะต้องได้รับการตรวจสอบอย่างกว้างขวางโดยช่างเทคนิคในห้องปฏิบัติการที่มีอำนาจในการหยุดการทดลองเมื่อใดก็ได้ แต่ไม่พบความแตกต่างในหนูที่ปลูกถ่ายอวัยวะในสมองของมนุษย์ในการทดสอบพฤติกรรมและความรู้ความเข้าใจ
อินซูฮยอนนักชีวจริยธรรมร่วมกับศูนย์ชีวจริยธรรมของโรงเรียนแพทย์ฮาร์วาร์ด กล่าวว่า เขาไม่มีข้อกังวลด้านจริยธรรมใดๆ เกี่ยวกับการทดลองในปัจจุบัน ทีมของPaşcaปฏิบัติตามแนวทางทั้งหมดที่พัฒนาโดย International Society for Stem Cell Research ซึ่งควบคุมการวิจัยเกี่ยวกับอวัยวะในสมองของมนุษย์และการถ่ายโอนเซลล์ของมนุษย์ไปสู่สัตว์ “สำหรับฉัน ประเด็นคือความเข้าใจจริงๆ คุณไปจากที่นั่นที่ไหน” เขาพูดว่า.
ฮุนกังวลมากขึ้นเกี่ยวกับทีมวิจัยอื่นๆ ที่อาจสนใจที่จะย้ายอวัยวะในสมองของมนุษย์ไปเป็นสายพันธุ์ที่คล้ายกับของเรามากขึ้น เช่น ไพรเมตที่ไม่ใช่มนุษย์ “คุณจะต้องมีการสนทนาที่เข้มข้นมากในระดับการกำกับดูแลว่าเหตุใดคุณจึงสมควรที่จะทำสิ่งที่ซับซ้อนกว่านี้” ฮยอนกล่าว
Paşcaกล่าวว่าเขาและเพื่อนร่วมงานของเขาไม่มีความสนใจในการทดลองที่ผลักดันขอบเขตเช่นนี้ นอกจากนี้ เขายังคิดว่าความยากลำบากในการเจริญเติบโตและการรักษาออร์แกนอยด์ให้คงอยู่สำหรับการปลูกถ่ายจะจำกัดการวิจัยที่เสี่ยงที่สุดที่อาจเกิดขึ้นได้ “มีสถานที่ไม่กี่แห่งที่มีโครงสร้างพื้นฐานและความเชี่ยวชาญที่จำเป็นในการทำเช่นนี้” เขากล่าว
ความท้าทายทางวิทยาศาสตร์ที่ทันท่วงทีและนำไปใช้ได้จริงอยู่ที่การปรับปรุงอวัยวะในสมองของมนุษย์ที่ปลูกถ่ายเป็นหนู หนทางยังอีกยาวไกลอย่างไม่ต้องสงสัย ปัจจุบัน เนื้อเยื่อคล้ายสมองของมนุษย์ขาดเซลล์สมองที่สำคัญจำนวนมากนอกเหนือจากเซลล์ประสาท เช่น ไมโครเกลียและแอสโทรไซต์ รวมถึงเซลล์ประสาทที่เกี่ยวข้องกับการยับยั้งการทำงานของเซลล์ประสาทอื่นๆ ขณะนี้ทีมของPaşcaกำลังทำงานเกี่ยวกับการทดลองที่จะปลูกถ่าย "แอสเซมบลีส" ซึ่งเป็นชุดของออร์กานอยด์ที่เป็นตัวแทนของบริเวณสมองต่างๆ ที่เซลล์จะโยกย้ายและมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน
อาจมีข้อจำกัดว่าการค้นพบจากเซลล์ประสาทของมนุษย์ภายในสมองของหนูสามารถนำไปใช้กับสมองของมนุษย์ตามธรรมชาติได้มากน้อยเพียงใด หนูที่ใช้ในการศึกษาการปลูกถ่ายเหล่านี้เกิดมาพร้อมกับระบบภูมิคุ้มกันที่ผิดพลาด เนื่องจากการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรม นั่นทำให้พวกมันเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการปลูกถ่าย เนื่องจากระบบภูมิคุ้มกันของพวกมันมีโอกาสน้อยที่จะปฏิเสธเซลล์มนุษย์ที่ฝังไว้ แต่ก็หมายความว่าการศึกษาโรคเกี่ยวกับความเสื่อมของระบบประสาท เช่น โรคอัลไซเมอร์ ซึ่งทราบกันว่ามีส่วนประกอบภูมิคุ้มกันอาจทำได้ยากกว่า และไม่ว่าอวัยวะที่ปลูกถ่ายในสมองของมนุษย์จะมีความสมจริงเพียงใด ตราบใดที่พวกมันอยู่ในสมองของหนู พวกมันก็จะได้สัมผัสกับเลือดของหนู ด้วยรายละเอียดที่เป็นเอกลักษณ์ของสารอาหารและฮอร์โมน แทนที่จะเป็นเลือดมนุษย์ นักประสาทวิทยาอาจกำลังศึกษาระบบที่ไม่ค่อยตรงกับความเป็นจริงในกะโหลกศีรษะมนุษย์
แต่สำหรับPaşca ระบบใหม่นี้เปิดโอกาสให้ได้ใกล้ชิดกับความจริงพื้นฐานมากขึ้นกว่าเดิมว่ากระบวนการทางระบบประสาทที่เปลี่ยนแปลงไปทำให้เกิดความผิดปกติทางระบบประสาทและทางจิตเวชอย่างไร การปลูกถ่ายอวัยวะอินทรีย์ในหนูแรกเกิดเป็นวิธีหนึ่งในการใช้เครื่องมือประสาทวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ในการวิจัยเกี่ยวกับการพัฒนาเซลล์ประสาทและวงจรของมนุษย์
“ปัญหาที่ยาก เช่น การทำความเข้าใจความผิดปกติทางจิตเวชที่เป็นเงื่อนไขเฉพาะของมนุษย์ จะต้องใช้วิธีการที่กล้าหาญ” Paşca กล่าว
