İnsan beyninin iç işleyişine ilişkin anlayışımız, insan nöronlarının gelişmesini, bağlanmasını ve etkileşime girmesini gözlemlemenin pratik ve etik zorluğu nedeniyle uzun süredir geri tutulmaktadır. bugün, içinde yeni bir çalışma yayınlanan Tabiatliderliğindeki Stanford Üniversitesi'ndeki sinirbilimciler Sergiu Paşa İnsan nöronlarını incelemek için yeni bir yol bulduklarını bildirdiler - insan beynine benzer dokuları, beyinleri henüz tam olarak oluşmamışken, sadece birkaç günlük farelere nakleterek. Araştırmacılar, insan nöronlarının ve diğer beyin hücrelerinin büyüyebileceğini ve kendilerini farenin beynine entegre ederek, duyuları işleyen ve davranışları kontrol eden fonksiyonel sinir devresinin bir parçası haline gelebileceğini gösteriyor.
Bu tekniği kullanarak, bilim adamları, en azından bazı otizm spektrum bozukluğu biçimleri de dahil olmak üzere, çok çeşitli nörogelişimsel bozukluklar için yeni yaşam modelleri oluşturabilmelidir. Modeller, nörobilimsel laboratuvar çalışmaları için mevcut hayvan modelleri kadar pratik olacaktır, ancak fonksiyonel sinir devrelerindeki gerçek insan hücrelerinden oluşacakları için insan bozuklukları için daha iyi yedek olacaktır. Gerçek insan beyninde kullanılamayacak kadar istilacı olan modern sinirbilim araçları için ideal hedefler olabilirler.
"Bu yaklaşım, alan için ileriye doğru bir adımdır ve nöronal işlev bozukluklarını anlamak için yeni bir yol sunar.,"dedi Madeline LancasterCambridge, İngiltere'deki MRC Moleküler Biyoloji Laboratuvarı'nda çalışmaya dahil olmayan bir sinirbilimci.
Çalışma aynı zamanda sinirsel organoidlerin kullanımında heyecan verici yeni bir bölüme işaret ediyor. Yaklaşık 15 yıl önce biyologlar, insan kök hücrelerinin kendi kendine organize olabildiğini ve farklı hücre türlerini barındıran ve beyin dokusuna benzeyen küçük küreler halinde büyüyebildiğini keşfettiler. Bu organoidler, beyin hücrelerinin faaliyetlerine yeni bir pencere açtı, ancak görüşün sınırları var. Bir tabaktaki nöronlar birbirleriyle bağlantı kurabilir ve elektriksel olarak iletişim kurabilirken, gerçekten işlevsel devreler oluşturamazlar veya doğal ortamları olan beyinde sağlıklı nöronların tam büyümesini ve hesaplama yeteneklerini elde edemezler.
Öncü çalışma çeşitli araştırma grupları tarafından yıllar önce insan beyni organoidlerinin yetişkin sıçanların beyinlerine yerleştirilebileceğini ve hayatta kalabileceğini kanıtladı. Ancak yeni çalışma, ilk kez, yeni doğmuş bir sıçanın gelişen beyninin insan nöronlarını kabul edip olgunlaşmasına izin verirken, aynı zamanda onları sıçanın davranışını yönlendirebilecek yerel devrelere entegre ettiğini gösteriyor.
Paşca, iki türün sinir sistemlerinin nasıl ve ne zaman geliştiğine dair büyük farklılıklar göz önüne alındığında "işe yaramayacağına inanmak için binlerce neden" olduğuna dikkat çekti. Yine de, insan hücrelerinin temel bağlantılar kurmak için ihtiyaç duydukları ipuçlarını bulmasıyla işe yaradı.
“Bu, insan beyni organoidlerinin fizyolojik ilişkisini insan beyni gelişiminin sonraki aşamalarını modellemek için ilerletmeye yönelik yaklaşımları aramak için alanı doğru yöne yönlendiren çok ihtiyaç duyulan ve zarif bir çalışma” dedi. Giorgia Quadrato, Güney Kaliforniya Üniversitesi'nde bir sinirbilimci.
Nöronlarda ters giden ve beyin rahatsızlıklarına yol açan hücresel ve moleküler süreçleri anlamak Paşca'nın her zaman motivasyonu olmuştur. [Editörün notu: Bkz. eşlik eden röportaj Paşca ile hayatı, kariyeri ve çalışma motivasyonları hakkında.] Pek çok psikiyatrik ve nörolojik bozukluk gelişim sırasında beyinde kök saldığından – semptomlar yıllar sonra ortaya çıkmasa da – nöronların nasıl geliştiğini izlemek, anlayışımızdaki boşlukları doldurmanın en iyi yolu gibi görünüyordu. Bu nedenle Paşca, 13 yıl önce bir tabakta nöronlarla çalışmaya başladığından beri insan beyni organoidlerini yeni doğan farelere nakletmeyi hedefliyor.
Paşca'nın Stanfordlu meslektaşlarının da başkanlığını yaptığı yeni çalışmada felicity gore, Kevin Kelley ve Omer Revah (şu anda Kudüs İbrani Üniversitesi'nde) - ekip kortikal insan beyni organoidlerini çok genç sıçan yavrularının somatosensör korteksine, yavruların beyin devreleri tam olarak kurulmadan önce yerleştirdi. Bu, insan nöronlarına, gelen duyusal bilgiyi işleyen kilit bir bölgeden uzun menzilli bağlantılar alma şansı verdi. Daha sonra araştırmacılar, organoidin sıçanın gelişen beyninin geri kalanıyla uyum içinde büyüyüp büyümeyeceğini görmek için bekledi.
Paşca, “Organoidi o erken aşamada yerleştirirsek… dört veya beş aylık bir süre içinde başlangıçta olduğundan dokuz kat daha fazla büyüdüğünü keşfettik” dedi. Bu, farenin beyin yarıkürelerinden birinin yaklaşık üçte birini kaplayan insan benzeri bir beyin dokusu alanına çevrildi.
Ancak insan nöronları, cerrahi olarak yerleştirildikleri kortikal bölgede bir arada kalsalar da, araştırmacılar, fare beyninin derinliklerinde nöral devrenin aktif parçaları haline geldiklerini gösterdiler. Nakledilen insan nöronlarının çoğu, farenin bıyıklarından gelen dokunma hislerine tepki vermeye başladı: Bıyıklara hava üflemeleri yöneltildiğinde, insan nöronları elektriksel olarak daha aktif hale geldi.
Daha da şaşırtıcı olan, nöral sinyallerin akışı diğer yönde de olabilir ve davranışı etkileyebilir. İnsan nöronları mavi ışıkla (optogenetik adı verilen bir teknikle) uyarıldığında, sıçanlarda bir su şişesini daha sık yalayarak ödül aramalarını sağlayan koşullu bir davranışı tetikledi.
Paşca, "Bu, aslında insan hücrelerini devreye entegre ettiğimiz anlamına geliyor" dedi. “Devreleri değiştirmiyor. … Sadece insan hücreleri artık bunun bir parçası.”
Nakledilen hücreler, yeni ortamlarında insan beyin dokusunu mükemmel bir şekilde taklit etmedi. Örneğin, kendilerini insan korteksinde görülen aynı çok katmanlı yapı içinde organize etmediler. (Ne de çevredeki sıçan nöronlarının öncülüğünü takip ettiler ve sıçan somatosensör korteksine özgü fıçı benzeri sütunları oluşturdular.) Ancak nakledilen bireysel nöronlar, normal insan elektriksel ve yapısal özelliklerinin çoğunu korudu.
Hücreler, bir beynin içinde olmanın büyük bir avantajından yararlandı: Fare beyninin damar sistemiyle başarılı bir şekilde bağlantı kurdular ve kan damarlarının dokuya oksijen ve hormon vermek için nüfuz etmesine izin verdiler. Paşca, bir tabakta büyüyen insan nöronlarının rutin olarak tam olarak olgunlaşmamasının ve muhtemelen gelişimi şekillendirmek için gerekli olan nöral sinyal girdilerinin eksikliğinin ana nedeninin kanlanma eksikliği olduğu düşünülüyor. Ekibi, nakledilen insan nöronlarını bir tabakta yaşayanlarla karşılaştırdığında, nakledilen nöronların, doğal insan beyin dokusundan alınan nöronlara daha yakın bir boyut ve elektriksel aktivite profili ile altı kat daha büyük olduğunu buldular.
Paşca, "İnsan hücrelerini başka bir olgunlaşma düzeyine getiren in vivo ortamda, yani beyinde aldıkları besinler ve elektrik sinyalleriyle ilgili bir şey var" dedi.
İnsan nöronları sıçan beyinlerinde çok olgunlaştığı için, Paşca ve meslektaşları, Timothy sendromu adı verilen ve genellikle otizm ve epilepsiye neden olan genetik bir bozukluğu olan insanlardan elde edilen beyin organoidlerinin gelişiminde olağandışı farklılıklar görebildiler. Sıçan beyinlerinde, Timothy sendromu için genler taşıyan nakledilen insan nöronları, olağandışı bağlantılar oluşturan anormal dendritik dallar geliştirdi. En önemlisi, bu atipik gelişmelerin bazıları, bir tabaktaki organoid nöronlarda değil, yalnızca sıçan korteksinde büyüyen insan nöronlarında görülebilir.
Paşca, şu ana kadar olgunlaşan nöronlarda beyin fonksiyonlarını etkileyen, nörolojik ve psikiyatrik bozukluklara yol açan bu tür ince değişikliklerin büyük ölçüde bizden gizlendiğini vurguluyor.
Sonuçlar çok heyecan verici" dedi. Bennett NovitchLos Angeles California Üniversitesi'nde bir sinirbilimci ve kök hücre biyoloğu olan Dr. Nöral dokuların in vitro çalışmalarının, birçok nörolojik çalışma ve ilaç testi türü için hala daha hızlı ve daha pratik olacağını belirtti, ancak yeni makale, “insan nöronlarının olgun özelliklerini nasıl ortaya çıkardığını… ”
Paşca, sıçanlarda olgun insan nöronlarını inceleyebilmenin sonunda psikiyatrik bozukluklar ve nörolojik durumlar için tedavileri daha da yakınlaştıracağını umuyor. Sahadakiler de umutlu. "Bu organoid transplantasyon stratejisi, hastalık imzalarını gerçekten taklit edebiliyorsa, bu, tedavilere giden yolumuzu gerçekten hızlandırabilir" dedi. joel blanchardSina Dağı'ndaki Icahn Tıp Okulu'nda bir sinirbilimci olan Dr.
Yeni çalışmanın doğası, sıçanların refahı ve etik muamelesi hakkında soruları gündeme getirebilir. Bu nedenle, Paşca ve arkadaşları en başından beri etikçilerle aktif tartışmalar yürüttüler. Hayvanlarla yapılan tüm deneylerde olduğu gibi, sıçanların, deneyi herhangi bir zamanda durdurma yetkisine sahip laboratuvar teknisyenleri tarafından kapsamlı bir şekilde izlenmesi yasal bir zorunluluktu. Ancak bir dizi davranışsal ve bilişsel testte insan beyni organoidleri nakledilen sıçanlarda hiçbir fark bulunmadı.
Insoo HyunHarvard Tıp Fakültesi Biyoetik Merkezi'ne bağlı bir biyoetikçi olan , mevcut deneylerle ilgili herhangi bir etik kaygısı olmadığını söyledi. Paşca'nın ekibi, Uluslararası Kök Hücre Araştırmaları Derneği tarafından insan beyni organoidleri ile yapılan araştırmaları ve insan hücrelerinin hayvanlara aktarılmasını yöneten tüm yönergeleri takip etti. “Bana göre mesele gerçekten anlamak: Oradan nereye gidiyorsun?” dedi.
Hyun, artık insan beyni organoidlerini, insan olmayan primatlar gibi bizimkine daha çok benzeyen türlere nakletmeye ilgi duyabilecek diğer araştırma ekipleri hakkında daha fazla endişe duyuyor. Hyun, “Neden daha karmaşık bir şeye gitmekte haklı olduğunuza dair gözetim düzeyinde çok yoğun bir konuşma yapmanız gerekecek” dedi.
Paşca, kendisinin ve meslektaşlarının bu tür sınırları zorlayan deneylerle ilgilenmediğini söylüyor. Ayrıca organoidleri transplantasyon için büyütmenin ve sürdürmenin zorluğunun, potansiyel olarak en pervasız araştırmaları engelleyeceğini düşünüyor. “Bunu yapmak için gereken altyapı ve uzmanlığa sahip çok az yer var” dedi.
Daha acil ve pratik bilimsel zorluklar, sıçanlara nakledilen insan beyni organoidlerinin geliştirilmesinde yatmaktadır. Kuşkusuz, daha gidilecek çok yol var. İnsan beynine benzer dokusu şu anda, mikroglia ve astrositler gibi nöronların ötesinde birçok önemli beyin hücresini ve ayrıca diğer nöronların aktivitesini inhibe etmede rol oynayan nöronları kaçırıyor. Paşca'nın ekibi şu anda, hücreleri göç eden ve birbirleriyle etkileşime giren farklı beyin bölgelerini temsil eden organoid kümeleri olan “assemloidleri” nakletecek deneyler üzerinde çalışıyor.
Bir sıçan beynindeki insan nöronlarından elde edilen bulguların doğal bir insan beynine ne kadar uygulanabileceğinin sınırları olabilir. Bu nakil çalışmalarında kullanılan sıçanlar, genetik bir mutasyon nedeniyle hatalı bir bağışıklık sistemi ile doğarlar. Bağışıklık sistemlerinin implante edilen insan hücrelerini reddetme olasılığı daha düşük olduğundan, bu onları nakiller için daha uygun hale getirir. Ancak aynı zamanda, bağışıklık bileşenlerine sahip olduğu bilinen Alzheimer gibi nörodejeneratif hastalıklarla ilgili çalışmaların daha zor olabileceği anlamına da geliyor. Ve nakledilen insan beyni organoidleri ne kadar gerçekçi olursa olsun, fare beyninde oldukları sürece, insan kanından ziyade, benzersiz besin ve hormon profiline sahip fare kanına maruz kalacaklardır. Nörobilimciler bu nedenle insan kafatasındaki gerçekliğin biraz gerisinde kalan sistemler üzerinde çalışıyor olabilirler.
Ancak Paşca için bu yeni sistem, değişen nörobiyolojik süreçlerin nasıl nörolojik ve psikiyatrik bozukluklara yol açtığına dair temel gerçeğe hiç olmadığı kadar yaklaşma fırsatı sunuyor. Organoidleri yeni doğan farelere nakletmek, nihayet insan nöronlarının ve devrelerinin gelişimi üzerine araştırmalarda modern sinirbilim araçlarının tüm gücünü kullanmanın bir yolunu sunuyor.
Paşca, “İnsana özgü psikiyatrik bozuklukları anlamak gibi zor sorunlar cesur yaklaşımlar gerektirecektir” dedi.
