Saskaņā ar jaunu pētījumu zinātnieki laboratorijā izveidoja miniatūras smadzenes, kas veidoja sarežģītus tīklus un radīja smadzeņu viļņus, kas līdzīgi tiem, ko izšauj priekšlaicīga cilvēka mazuļa jaunattīstības smadzenes.
Ideja audzēt miniatūras smadzenes laboratorijā nav jauna; pētnieki to ir darījuši gandrīz desmit gadus. Bet lielākajā daļā pētījumu ir izmantotas šīs mini smadzenes vai "organoīdi", lai izpētītu liela mēroga struktūru.
Piemēram, viena grupa izstrādāja mini smadzenes, kas varētu audzēt asinsvadus, iepriekš ziņoja Live Science. Cita grupa pakļauta Zika vīrusa mini smadzenēm, lai saprastu, kā tas var izraisīt neparasti mazas galvas vai mikrocefāliju.
Bet tādos apstākļos kā autisms, šizofrēnija, bipolāri traucējumi un pat depresija "smadzenes ir neskartas, un problēma ir atkarīga no tīkla operācijām", sacīja pētījuma vecākais autors Alyssons Muotri, šūnu un molekulārās medicīnas katedras asociētais profesors un cilmes šūnu programmas direktors Kalifornijas Universitātē Sandjego. Šī ir pirmā reize, kad laboratorijās audzētas smadzenes veido sarežģītus neironu tīklus, kas rada spēcīgus smadzeņu viļņus.
Lai to izdarītu, Muotri un viņa komanda no cilvēka ādas un asinīm ieguva cilvēka cilmes šūnas - kuras var pārveidot par jebkura veida šūnām, ievērojot pareizās instrukcijas. Pētnieki šīs cilmes šūnas pakļāva ķīmiskajām norādēm, kas pārvērstu šūnas smadzeņu šūnās.
Lielākoties šīs šūnas veidoja neironu priekšteču šūnas, smadzenēm raksturīgas šūnas, kas var vairoties un radīt daudzu veidu smadzeņu šūnas. Pēc diviem līdz pieciem mēnešiem laboratorijas traukā šīs cilmes šūnas veido glutamaterģiskos neironus, smadzeņu šūnas, kas ir "uzbudinošas", vai tādas, kas izplata informāciju.
Pēc apmēram četriem mēnešiem mini smadzenes pārstāja veidot uzbudinošos neironus un sāka veidot astrocītus. Šīs smadzeņu šūnas palīdz veidot sinapses, spraugas starp smadzeņu šūnām, kur neirotransmiteri vai smadzeņu ķīmiskās vielas nodod informāciju. Visbeidzot, priekšteču šūnas sāka veidot inhibējošus neironus, kas slāpē smadzeņu darbību, vai aptur neironus no informācijas nodošanas. Toreiz "darbība sāk kļūt sarežģītāka, jo tagad mēs līdzsvarojam ierosmi un kavēšanu", sacīja Muotri.
Kamēr šūnas dalījās un diferencējās, tās galu galā sāka "pašorganizēties par kaut ko tādu, kas atgādina cilvēka garozu", sacīja Muotri. Gliemene ir smadzeņu ārējais slānis, kam ir svarīga loma apziņā.
"Mini smadzenes" faktiski neizskatās pēc miniatūrām cilvēka smadzeņu versijām. Tie drīzāk ir balti, sfēriski plankumi, kas peld sarkanīgajā zupā, kurā tie tiek audzēti, sacīja Muotri. Viņi izauga tikai līdz 0,2 collām (0,5 centimetriem) diametrā, bet viņu neironu tīkli turpināja attīstīties deviņus līdz 10 mēnešus pirms apstāšanās, viņš sacīja.
Visā mini smadzeņu augšanas laikā komanda izmantoja niecīgu elektrodu komplektu, kas savienojas ar neironiem, lai izmērītu smadzeņu darbību. Pētnieki atklāja, ka aptuveni pēc diviem mēnešiem mini smadzenēs esošie neironi sāka izdalīt sporādiskus signālus, visi ar vienādu frekvenci. Pēc vēl pāris attīstības mēnešiem smadzenes izlaida signālus dažādās frekvencēs un regulāri, norādot uz sarežģītāku smadzeņu darbību, sacīja Muotri.
Kaut arī iepriekšējie pētījumi parādīja, ka mini, laboratoriski ražoti smadzenes varētu izraisīt smadzeņu šūnu apdedzināšanu, pētnieki ziņoja, ka tie izšauj apmēram 3000 reizes minūtē, sacīja Muotri. Tomēr šajā pētījumā neironi izšāva gandrīz 300 000 reizes minūtē, kas ir "tuvāk cilvēka smadzenēm", viņš sacīja.
Pēc tam komanda izmantoja mašīnmācīšanās algoritmu, lai salīdzinātu šo mini smadzeņu darbību ar priekšlaicīgi dzimušu mazuļu smadzenēm. Pētnieki apmācīja savu programmu, lai apgūtu smadzeņu viļņus, kas reģistrēti no 39 priekšlaicīgi dzimušiem zīdaiņiem vecumā no 6 līdz 9 ar pusi mēnešiem.
Pēc tam zinātnieki ievadīja smadzeņu viļņu modeļus no mini smadzenēm algoritmā un secināja, ka pēc 25 nedēļu ilgas mini smadzeņu attīstības tas vairs nespēj atšķirt datus, kas nāk no cilvēka smadzenēm, no datiem, kas rodas no laboratorijā audzētām smadzenēm. "Tas sajaucas un dod vienādu vecumu viņiem abiem," kas liek domāt, ka mini smadzenes un cilvēka smadzenes aug un attīstījās līdzīgi, sacīja Muotri.
Šis pētījums parāda "ļoti labi, ka jūs varat izveidot šo reproducējamo eksperimentālo sistēmu, kurā jūs varat pievērsties procesiem, kas ir tik svarīgi cilvēka attīstībai", sacīja Dr. Tomass Hartungs, Džona Hopkinsa alternatīvo dzīvnieku izmēģinājumu centra direktors. kurš arī ir strādājis pie mini smadzeņu attīstīšanas laboratorijā, bet kurš nebija pētījuma sastāvdaļa.
"Embrionālo smadzeņu nepieejamība ir viens no iemesliem, kāpēc šie modeļi piedāvā kaut ko atšķirīgu," viņš sacīja. "Bet tas arī nozīmē, ka jums ir ļoti ierobežotas iespējas pateikt, ka tā ir īstā lieta." Kaut arī EEG signāli ir līdzīgi priekšlaicīgi dzimušiem zīdaiņiem, tie nedaudz atšķiras, norādot laiku.
Kamēr cilvēka embrijs ir savienots ar māti un tādējādi saņem signālus no ārpuses, šīs laboratorijā audzētās smadzenes nav saistītas ar neko. "Šīm šūnām nav ieejas vai izejas, un tās nevar atpazīt jebko, kas notiek pasaulē," sacīja Hartungs. Tāpēc viņi "noteikti nav" apzināti.
Tam piekritīs vairums zinātnieku, bet "to ir grūti pateikt", sacīja Muotri. "Mēs, neirozinātnieki, pat nepiekrītam, kādus mērījumus var veikt, lai reāli pārbaudītu, vai viņi ir pie samaņas."
Cilvēka smadzenes sūta savus signālus, lai palīdzētu mums mijiedarboties ar mūsu vidi. Piemēram, mēs skatāmies kļūdu, acis sūta signālus smadzeņu šūnām, kas signalizē viena otrai un ļauj mums zināt, ka mēs redzam kļūdu.
Kāpēc šīs laboratorijā audzētās smadzenes sūta signālus? Par ko viņi, iespējams, varētu runāt? "Tas ir jautājums, kuru mēs nezinām, jo embrionālās smadzenes patiešām ir melnā kaste," sacīja Muotri. Šķiet, ka lielākajā daļā signālu šajos sākumposmos ir norādījumi par "pašvada vadu" vai savienojumu ar otru, viņš teica.
Jebkurā gadījumā viņš teica, ka viņš cer, ka šādi pētījumi palīdzēs mums saprast, kā smadzeņu agrīnā vadu veidošana izraisa mūsu sarežģītās smadzenes un kas notiek, kad šī vadu darbība kļūst nepareiza.
Muotri un viņa komanda sacīja, ka viņi tagad cer vēl vairāk stimulēt smadzeņu organoīdus, lai redzētu, vai tie var attīstīties pēc deviņiem līdz 10 mēnešiem. Pētnieki arī vēlētos modelēt smadzeņu darbības traucējumus, piemēram, izveidojot smadzeņu organoīdus ar šūnām, kas ņemti no bērniem ar autismu, lai saprastu, kā attīstās viņu smadzeņu tīkli.
Rezultāti tika publicēti šodien (29. augustā) žurnālā Cell Stem Cell.
