Znanstvenici su stvorili minijaturne mozgove u laboratoriju koji su formirali zamršene mreže i proizveli moždane valove slične onima koje ispušta mozak prerano rođene djece, prema novom istraživanju.
Ideja o uzgoju minijaturnih mozgova u laboratoriju nije nova; istraživači to rade gotovo desetljeće. Ali većina je studija koristila ove mini mozgove ili "organoide" za proučavanje strukture velikih razmjera.
Na primjer, jedna je grupa razvila mini mozgove koji bi mogli rasti krvne žile, ranije je izvijestio Live Science. Druga je skupina izložila mini mozgove virusu Zika kako bi shvatila kako može dovesti do nenormalno malih glava ili mikrocefalije.
Ali u uvjetima kao što su autizam, shizofrenija, bipolarni poremećaj, pa čak i depresija, "mozak je netaknut i problem se oslanja na rad mreže", rekao je viši autor studije Alysson Muotri, izvanredni profesor na Odjelu za staničnu i molekularnu medicinu i direktor programa matičnih ćelija na Sveučilištu Kalifornija u San Diegu. Ovo je prvi put da su laboratorijski uzgojeni mozgovi formirali zamršene mreže neurona koji su proizveli snažne moždane valove.
Da bi to postigli, Muotri i njegov tim uzeli su ljudske matične stanice - koje se mogu pretvoriti u bilo koje vrste stanica uz točne upute - dobivene iz kože i krvi ljudi. Istraživači su izložili te matične stanice kemijskim uputama koje će ih pretvoriti u stanice mozga.
Najvećim dijelom te stanice formiraju stanice neuronskog pretka, stanice specifične za mozak, koje mogu razmnožavati i stvarati mnoge vrste moždanih stanica. Nakon dva do pet mjeseci u laboratorijskoj posudici, ove potomke formiraju glutamatergične neurone, moždane stanice koje su "ekscitacijske" ili one koji šire informacije.
Nakon otprilike četiri mjeseca, mini mozgovi su prestali stvarati ekscitacijske neurone i počeli su stvarati astrocite. Te moždane stanice pomažu oblikovati sinapse, praznine između moždanih stanica gdje neurotransmiteri ili moždane kemikalije prenose informacije. Konačno, stanice praroditelja počele su stvarati inhibitorne neurone, koji ugašaju moždanu aktivnost ili zaustavljaju neurone u prenošenju informacija. Tada "aktivnost počinje postati složenija, jer sada uravnotežujemo uzbuđenje i inhibiciju", rekao je Muotri.
Dok su se stanice dijelile i razlikovale, s vremenom su se počeli "samoorganizirati u nešto što nalikuje ljudskom korteksu", rekao je Muotri. Korteks je vanjski sloj mozga, koji igra važnu ulogu u svijesti.
"Mini mozgovi" zapravo ne izgledaju poput minijaturnih verzija ljudskog mozga. Umjesto toga, to su bijele, sferne mrlje koje lebde u crvenkastoj juhi u kojoj su odrasle, rekao je Muotri. Narasli su u promjeru samo 0,2 inča (0,5 centimetara), ali njihove su neuronske mreže nastavile razvijati devet do 10 mjeseci prije zaustavljanja, rekao je.
Tijekom rasta mini mozgova, tim je koristio skup sitnih elektroda koje se povezuju s neuronima za mjerenje moždane aktivnosti. Istraživači su otkrili da su otprilike dva mjeseca neuroni u mini mozgu počeli ispuštati sporadične signale, i to sve istom frekvencijom. Nakon još nekoliko mjeseci razvoja, mozak je pucao na signale različitih frekvencija i redovitije, što ukazuje na složenije moždane aktivnosti, rekao je Muotri.
Dok su prethodna istraživanja pokazala da mini, laboratorijski proizvedeni mozgovi mogu proizvesti pucanje u moždane stanice, istraživači su ih izvijestili da pucaju oko 3 000 puta u minuti, rekao je Muotri. U ovoj studiji, međutim, neuroni su pucali blizu 300 000 puta u minuti, što je "bliže ljudskom mozgu", rekao je.
Tim je potom koristio algoritam strojnog učenja kako bi usporedio moždane aktivnosti tih mini mozgova s onima prijevremene ljudske bebe. Istraživači su obučavali svoj program kako bi naučili moždane valove zabilježene kod 39 prijevremeno rođene djece u dobi od 6 do 9 i pol mjeseci.
Znanstvenici su potom unijeli uzorke moždanih valova iz mini mozga u algoritam i otkrili da nakon 25 tjedana razvoja mini mozga više ne može razlikovati podatke koji dolaze iz ljudskog mozga od onih koji potječu iz laboratorijskog mozga. "Zbunjuje se i daje obojici iste dobi", što upućuje na zaključak da su mini i ljudski mozak rasli i razvijali se na sličan način, rekao je Muotri.
Ovo istraživanje pokazuje "vrlo lijepo da možete napraviti ovaj reproducibilni eksperimentalni sustav u kojem se možete pozabaviti procesima koji su toliko bitni za razvoj ljudskog bića", rekao je dr. Thomas Hartung, direktor Johns Hopkins Centra za alternative testiranju na životinjama. koji je također radio na razvoju mini mozga u laboratoriju, ali koji nije bio dio studije.
"Nepristupačnost embrionalnog mozga jedan je od razloga zašto ti modeli nude nešto drugačije", rekao je. "Ali to također znači da imate vrlo ograničene mogućnosti da to kažete stvarnima." Iako su EEG signali slični signalima kod prijevremeno rođenih, vrijeme je malo izvan, dodao je.
Dok je ljudski zametak povezan s majkom i na taj način prima signale izvana, ovi laboratorijski uzgojeni mozgovi nisu povezani ni s čim. "Te ćelije nemaju ulaza ili ne izlaz. Ne mogu prepoznati ništa što se događa u svijetu", rekao je Hartung. Dakle, oni "definitivno nisu" svjesni.
S tim bi se većina znanstvenica složila, ali "teško je reći", rekao je Muotri. "Mi se neuroznanstvenici čak ne slažemo koja su mjerenja koja se mogu napraviti da se stvarno ispita da li su oni svjesni ili ne."
Ljudski mozak šalje svoje signale koji nam pomažu u interakciji s okolinom. Na primjer, gledamo bugu, oči šalju signale mozak-stanice, koje signaliziraju jedna drugoj i daju nam do znanja da vidimo bugu.
Dakle, zašto ovi laboratorijski uzgojeni mozgovi šalju signale? O čemu bi oni mogli razgovarati? "To je pitanje koje ne poznajemo, jer je mozak embriona zaista crna kutija", rekao je Muotri. Čini se da većina signala u tim ranim fazama uključuje upute za "samo-spajanje" ili povezivanje jedno s drugim, rekao je.
U svakom slučaju, rekao je da se nada da će mu ovakve studije pomoći da shvatimo kako rano ožičenje mozga rađa naše složene mozgove, i što se događa kada to ožičenje pođe po krivu.
Muotri i njegov tim rekli su da se nadaju da će dodatno potaknuti organoide mozga kako bi vidjeli mogu li se razviti nakon devet do 10 mjeseci. Istraživači bi također željeli modelirati moždane poremećaje, na primjer, stvarajući moždane organoide sa stanicama uzetih od djece s autizmom kako bi razumjeli kako se razvijaju njihove moždane mreže.
Otkrića su objavljena danas (29. kolovoza) u časopisu Cell Stem Cell.
