Podle nové studie vědci vytvořili v laboratoři miniaturní mozky, které vytvořily složité sítě a vytvořily mozkové vlny podobné těm, které vypálil vyvíjející se mozek předčasně narozeného dítěte.
Myšlenka pěstování miniaturních mozků v laboratoři není nová; vědci tak dělají téměř deset let. Většina studií však tyto mini mozky nebo „organoidy“ použila ke studiu struktury ve velkém měřítku.
Například jedna skupina vyvinula mini mozky, které by mohly růst krevních cév. Další skupina vystavila mini mozek viru Zika, aby pochopila, jak může vést k abnormálně malým hlavám nebo mikrocefálii.
Ale v podmínkách, jako je autismus, schizofrenie, bipolární porucha a dokonce i deprese, „je mozek neporušený a problém závisí na fungování sítě,“ uvedl hlavní autor studie Alysson Muotri, docent, katedra buněčné a molekulární medicíny a ředitel programu kmenových buněk na University of California v San Diegu. Toto je poprvé, kdy mozky pěstované v laboratoři vytvořily složité sítě neuronů, které produkovaly silné mozkové vlny.
Aby to bylo možné, Muotri a jeho tým shromáždili lidské kmenové buňky - které se mohou při správných pokynech proměnit v jakýkoli typ buňky - odvozené z kůže a krve lidí. Vědci tyto kmenové buňky vystavili chemickým pokynům, které by z nich proměnily mozkové buňky.
Z velké části tyto buňky tvořily neurální progenitorové buňky, mozkové specifické buňky, které se mohou množit a vést k mnoha typům mozkových buněk. Po dvou až pěti měsících v laboratorní misce tvoří tyto progenitorové buňky glutamatergické neurony, mozkové buňky, které jsou „excitační“ nebo ty, které šíří informace.
Asi po čtyřech měsících přestaly mini mozky vytvářet excitační neurony a začaly vytvářet astrocyty. Tyto mozkové buňky pomáhají utvářet synapsy, mezery mezi mozkovými buňkami, kde neurotransmitery nebo mozkové chemikálie předávají informace. Nakonec progenitorové buňky začaly vyrábět inhibiční neurony, které potlačují mozkovou aktivitu nebo brání neuronům předávat informace. Tehdy „aktivita začíná být složitější, protože nyní vyrovnáváme excitaci a inhibici,“ řekl Muotri.
Zatímco se buňky dělily a rozlišovaly, nakonec se začaly „organizovat do něčeho, co připomíná lidskou kůru,“ řekl Muotri. Kůra je vnější vrstva mozku, která hraje při vědomí důležitou roli.
„Mini mozky“ ve skutečnosti nevypadají jako miniaturní verze lidských mozků. Jsou to spíše bílé kulové kuličky, které se vznášejí v načervenalé polévce, ve které se pěstují, řekl Muotri. Vyrostli na průměr pouze 0,5 palce (0,5 centimetru), ale jejich neuronové sítě se před zastavením nadále vyvíjely devět až deset měsíců, řekl.
V průběhu růstu mini mozků tým použil sadu malých elektrod, které se připojují k neuronům k měření mozkové aktivity. Vědci zjistili, že přibližně za dva měsíce začaly neurony v mini mozcích vypalovat ojedinělé signály, všechny se stejnou frekvencí. Po několika měsících vývoje mozky vypalovaly signály na různých frekvencích a pravidelněji, což naznačuje složitější mozkovou aktivitu, řekl Muotri.
Zatímco předchozí studie ukázaly, že mini, laboratorní mozky by mohly produkovat vypalování mozkových buněk, vědci hlásili, že střílí asi 3000krát za minutu, řekl Muotri. V této studii však neurony vystřelily téměř 300 000krát za minutu, což je „blíže lidskému mozku“, řekl.
Tým poté použil algoritmus strojového učení k porovnání mozkové aktivity těchto malých mozků s těmi předčasně narozených lidských dětí. Vědci vyškolili svůj program, aby se naučili mozkové vlny zaznamenané od 39 předčasně narozených dětí ve věku 6 až 9 a půl měsíce.
Vědci pak do algoritmu vložili vzory mozkových vln z mini mozků a zjistili, že po 25 týdnech mini mozkového vývoje již nedokáže rozlišit data pocházející z lidského mozku od údajů získaných z mozku pěstovaného v laboratoři. "Je zmatený a dává jim stejný věk oběma," což naznačuje, že mini mozky i lidské mozky rostly a vyvíjely se podobně, řekl Muotri.
Tato studie ukazuje, „velmi pěkně, že můžete vytvořit tento reprodukovatelný experimentální systém, ve kterém můžete řešit procesy, které jsou tak zásadní pro vývoj lidské bytosti“, řekl Dr. Thomas Hartung, ředitel Centra pro alternativy k testování na zvířatech Johns Hopkins který také pracoval na vývoji mini-mozků v laboratoři, ale který nebyl součástí studie.
„Nedostupnost embryonálního mozku je jedním z důvodů, proč tyto modely nabízejí něco jiného,“ řekl. "Ale také to znamená, že máte velmi omezené příležitosti říct to pravé." Zatímco signály EEG jsou podobné signálům předčasně narozených dětí, jsou načasování trochu načasované, dodal.
Zatímco lidské embryo je spojeno s matkou, a tak přijímá signály z vnějšku, tyto mozky pěstované v laboratoři nejsou spojeny s ničím. "Tyto buňky nemají žádný vstup nebo žádný výstup, který nedokážou rozpoznat nic, co se děje na světě," řekl Hartung. Takže si „rozhodně nejsou“ vědomi.
To je to, na čem by se většina vědců shodla, ale „je těžké říct,“ řekl Muotri. "My neurovědci nesouhlasíme ani s tím, jaká jsou měření, která člověk může udělat, aby skutečně prozkoumal, zda jsou při vědomí, nebo ne."
Lidský mozek vysílá své signály, aby nám pomohl komunikovat s naším prostředím. Například se podíváme na chybu, oči posílají signály do mozkových buněk, které si navzájem signalizují, a dejte nám vědět, že jsme svědky chyby.
Proč tedy tyto laboratorně pěstované mozky vysílají signály? O čem by mohli mluvit? „To je otázka, kterou nevíme, protože embryonální mozek je opravdu černá skříňka,“ řekl Muotri. Zdá se, že většina signálů v těchto raných stádiích zahrnuje instrukce, jak se „zapojit“ nebo se k sobě připojit, řekl.
V každém případě řekl, že doufá, že studie, jako je tato, nám pomohou pochopit, jak včasné zapojení mozku vede ke vzniku našich složitých mozků a co se stane, když se toto zapojení zhorší.
Muotri a jeho tým uvedli, že nyní doufají, že stimulují mozkové organoidy dále, aby zjistili, zda se mohou vyvíjet po devíti až deseti měsících. Vědci by také rádi modelovali poruchy mozku, například vytvářením mozkových organoidů s buňkami odebranými od dětí s autismem, aby pochopili, jak se vyvíjí jejich mozkové sítě.
Výsledky byly zveřejněny dnes (29. srpna) v časopise Cell Stem Cell.
