Наше розуміння внутрішньої роботи людського мозку довгий час стримувалося практичними та етичними труднощами спостереження за розвитком, зв’язком і взаємодією людських нейронів. Сьогодні, в Нове дослідження опубліковані в природа, нейробіологи зі Стенфордського університету під керівництвом Сергій Пашка повідомляють, що вони знайшли новий спосіб дослідження людських нейронів — шляхом пересадки тканини, схожої на людський мозок, щурам, яким лише кілька днів, коли їх мозок ще не повністю сформований. Дослідники показують, що людські нейрони та інші клітини мозку можуть рости та інтегруватися в мозок щура, стаючи частиною функціональної нейронної схеми, яка обробляє відчуття та контролює аспекти поведінки.
Використовуючи цю техніку, вчені зможуть створити нові моделі життя для широкого спектру розладів нервової системи, включаючи принаймні деякі форми розладу аутистичного спектру. Ці моделі були б такими ж практичними для нейронаукових лабораторних досліджень, як і сучасні моделі на тваринах, але були б кращими альтернативами для людських захворювань, оскільки вони складалися б із реальних людських клітин у функціональних нейронних ланцюгах. Вони можуть бути ідеальними мішенями для сучасних інструментів нейронауки, які занадто інвазивні, щоб використовувати їх у реальному людському мозку.
«Цей підхід є кроком вперед для галузі та пропонує новий спосіб зрозуміти розлади функціонування нейронів,"сказав Мадлен Ланкастер, нейробіолог з Лабораторії молекулярної біології MRC у Кембриджі, Великобританія, який не брав участі в роботі.
Ця робота також знаменує новий захоплюючий розділ у використанні нейронних органоїдів. Близько 15 років тому біологи виявили, що людські стовбурові клітини можуть самоорганізовуватися і рости в маленькі сфери, які містять різні типи клітин і нагадують тканину мозку. Ці органоїди відкрили нове вікно в діяльності клітин мозку, але погляд має свої межі. Хоча нейрони в тарілці можуть з’єднуватися один з одним і електрично спілкуватися, вони не можуть утворювати справді функціональні схеми або досягти повного росту та обчислювальної здатності здорових нейронів у своєму природному середовищі існування, мозку.
Піонерська робота багато років тому різні дослідницькі групи довели, що органоїди людського мозку можуть бути вставлені в мозок дорослих щурів і вижити. Але нове дослідження вперше показує, що мозок новонародженого щура, що розвивається, сприйме людські нейрони та дозволить їм дозріти, а також інтегрує їх у локальні схеми, здатні керувати поведінкою щура.
Пашка зазначив, що є «тисяча причин вважати, що це не спрацює», враховуючи різкі відмінності в тому, як і коли розвиваються нервові системи двох видів. І все ж це спрацювало: людські клітини знайшли підказки, необхідні для створення важливих зв’язків.
«Це дуже потрібне та елегантне дослідження, яке спрямовує поле у правильному напрямку на пошук підходів до підвищення фізіологічної значущості органоїдів людського мозку для моделювання наступних стадій розвитку людського мозку», — сказав Джорджія Квадрато, нейробіолог з Університету Південної Каліфорнії.
Розуміння клітинних і молекулярних процесів, які збиваються в нейронах і призводять до розладів мозку, завжди було мотивацією Пашки. [Примітка редактора: див супровідне співбесіду з Пашкою про його життя, кар'єру та мотивацію до роботи.] Оскільки багато психіатричних і неврологічних розладів пускають коріння в мозок під час розвитку — навіть якщо симптоми можуть з’явитися лише через роки — спостереження за тим, як розвиваються нейрони, здається найкращим способом заповнити пустоти в нашому розумінні. Ось чому метою Пашки було трансплантувати органоїди людського мозку новонародженим щурам відтоді, як він почав працювати з нейронами в чашці 13 років тому.
У новій роботі — яку також очолили колеги Пашки зі Стенфорда Фелісіті Гор, Кевін Келлі та Омер Рева (зараз в Єврейському університеті Єрусалиму) — команда вставила коркові органоїди людського мозку в соматосенсорну кору дуже молодих щуренят до того, як ланцюги мозку цуценят були повністю встановлені. Це дало людським нейронам можливість отримувати дальні зв’язки від ключової області, яка обробляє вхідну сенсорну інформацію. Потім дослідники чекали, чи буде органоїд рости разом з рештою мозку щура, що розвивається.
«Ми виявили, що якщо ми помістимо органоїд на цій ранній стадії... він виросте в дев’ять разів більше, ніж спочатку, протягом чотирьох-п’яти місяців», — сказав Пашка. Це означає ділянку людської тканини мозку, яка займає приблизно третину однієї з півкуль мозку щура.
Але навіть незважаючи на те, що людські нейрони залишалися разом у корковій зоні, куди вони були поміщені хірургічним шляхом, дослідники продемонстрували, що вони стали активними частинами нейронних ланцюгів, розташованих глибоко в мозку щура. Більшість трансплантованих людських нейронів почали реагувати на відчуття дотику від вусів щура: коли на вуса спрямовували подих повітря, людські нейрони ставали більш електрично активними.
Ще більш дивним є те, що потік нейронних сигналів також може йти в іншому напрямку та впливати на поведінку. Коли людські нейрони стимулювали синім світлом (за допомогою методу під назвою оптогенетика), у щурів це викликало умовну поведінку, яка змушувала їх шукати нагороди, частіше облизуючи пляшку з водою.
«Це означає, що ми фактично інтегрували людські клітини в схему», — сказав Пашка. «Це не змінює схеми. … Просто людські клітини тепер є його частиною».
Трансплантовані клітини не повністю імітували тканину людського мозку в новому середовищі. Наприклад, вони не організувалися в ту саму багатошарову структуру, яку можна побачити в корі головного мозку людини. (Вони також не наслідували приклад навколишніх нейронів щурів і не сформували бочкоподібні колони, характерні для соматосенсорної кори головного мозку щурів.) Але окремі трансплантовані нейрони зберегли багато звичайних людських електричних і структурних властивостей.
Клітини скористалися однією головною перевагою перебування в мозку: вони успішно з’єдналися з судинною системою мозку щурів, дозволяючи кровоносним судинам пронизувати тканину для доставки кисню та гормонів. Вважається, що недолік кровопостачання є основною причиною того, чому людські нейрони, які регулярно ростуть у чашці, не дозрівають повністю, а також відсутність нейронних сигналів, які, ймовірно, необхідні для формування розвитку, пояснив Пашка. Коли його команда порівняла трансплантовані людські нейрони з тими, що живуть у тарілці, вони виявили, що трансплантовані нейрони були в шість разів більші, а розмір і профіль електричної активності ближчі до нейронів із природної тканини людського мозку.
«Є щось у навколишньому середовищі in vivo — отже, поживні речовини та електричні сигнали, які вони отримують у мозок — що переводить клітини людини на інший рівень дозрівання», — сказав Пашка.
Оскільки людські нейрони настільки дозріли в мозку щурів, Пашка та його колеги змогли побачити незвичайні відмінності в розвитку органоїдів мозку, отриманих від людей із генетичним розладом під назвою синдром Тімоті, який часто викликає аутизм та епілепсію. У мозку щурів пересаджені людські нейрони, що несуть гени синдрому Тімоті, виростили аномальні дендритні гілки, які створили незвичайні зв’язки. Важливо те, що деякі з цих нетипових явищ можна спостерігати лише в людських нейронах, що ростуть у корі головного мозку щурів, а не в органоїдних нейронах чашки.
Пашка підкреслює, що досі ці типи тонких змін у дозріваючих нейронах, які впливають на роботу мозку та призводять до неврологічних та психічних розладів, були здебільшого приховані від нас.
"Результати дуже захоплюючі", - сказав Беннет Нович, нейробіолог і біолог зі стовбурових клітин Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі. Дослідження нейронних тканин in vitro все ще будуть швидшими та практичнішими для багатьох типів неврологічних досліджень і тестів на ліки, зазначив він, але нова стаття «ілюструє, як виявлення зрілих характеристик людських нейронів … все ще найкраще досягається в умовах in vivo. .”
Пашка сподівається, що можливість вивчення зрілих людських нейронів у щурів нарешті наблизить лікування психічних і неврологічних захворювань. Інші в цій галузі теж сподіваються. «Якщо ця стратегія трансплантації органоїдів справді зможе імітувати ознаки захворювання, це дійсно може прискорити наш шлях до лікування», — сказав Джоель Бланшар, нейробіолог у Школі медицини Ікана на горі Синай.
Характер нової роботи може викликати питання про добробут та етичне ставлення до щурів. З цієї причини Пашка та його колеги з самого початку вели активні дискусії з етиками. Як і в усіх експериментах із залученням тварин, існувала юридична вимога, щоб щури перебували під ретельним наглядом лаборантів, які мали право припинити експеримент у будь-який час. Але у щурів з пересадженими органоїдами людського мозку в ряді поведінкових і когнітивних тестів не було виявлено відмінностей.
Інсу Хюн, біоетик із Центру біоетики Гарвардської медичної школи, сказав, що у нього немає жодних етичних сумнівів щодо поточних експериментів. Команда Пашки дотримувалася всіх інструкцій, розроблених Міжнародним товариством дослідження стовбурових клітин, які регулюють дослідження органоїдів людського мозку та перенесення людських клітин тваринам. «Для мене справді проблема полягає в розумінні: куди ви підете далі?» він сказав.
Хюн більше стурбований іншими дослідницькими групами, які тепер можуть зацікавитися трансплантацією органоїдів людського мозку у види, більш схожі на наші, наприклад, приматів. «Вам довелося б провести дуже інтенсивну розмову на рівні нагляду про те, чому ви виправдані вдаватися до чогось більш складного», — сказав Хюн.
Пашка каже, що він і його колеги не зацікавлені в таких експериментах, що розсувають межі. Він також вважає, що складність вирощування та підтримки органоїдів для трансплантації стримає більшість потенційно безрозсудних досліджень. "Є кілька місць з інфраструктурою та досвідом, необхідними для цього", - сказав він.
Більш нагальні та практичні наукові завдання полягають у вдосконаленні органоїдів людського мозку, які трансплантують щурам. Безперечно, попереду ще довгий шлях. У тканині, схожій на мозок людини, наразі відсутні багато важливих клітин мозку, окрім нейронів, таких як мікроглія та астроцити, а також нейрони, залучені до гальмування активності інших нейронів. Зараз команда Пашки працює над експериментами, які трансплантують «ассемблоїди» — набори органоїдів, що представляють різні ділянки мозку, клітини яких мігрують і взаємодіють одна з одною.
Можливо, існують обмеження щодо того, наскільки результати людських нейронів у мозку щура можуть застосовуватися до природного людського мозку. Щури, використані в цих дослідженнях трансплантації, народжуються з несправною імунною системою через генетичну мутацію. Це робить їх добре придатними для трансплантації, оскільки їхня імунна система з меншою ймовірністю відторгне імплантовані клітини людини. Але це також означає, що дослідження нейродегенеративних захворювань, таких як хвороба Альцгеймера, які, як відомо, мають імунні компоненти, можуть бути складнішими. І незалежно від того, наскільки реалістичними будуть трансплантовані органоїди людського мозку, поки вони знаходяться в мозку щурів, вони будуть піддаватися дії крові щурів з її унікальним профілем поживних речовин і гормонів, а не крові людини. Таким чином, нейробіологи можуть вивчати системи, які дещо не відповідають реальності людського черепа.
Але для Пашки ця нова система пропонує можливість ближче, ніж будь-коли, наблизитися до основної правди про те, як змінені нейробіологічні процеси викликають неврологічні та психічні розлади. Трансплантація органоїдів новонародженим щурам нарешті відкриває спосіб використовувати всю силу сучасних інструментів нейронауки в дослідженнях розвитку людських нейронів і ланцюгів.
«Складні проблеми, такі як розуміння психічних розладів, які є унікальними для людини, вимагатимуть сміливих підходів», — сказав Пашка.
