Научници су створили минијатурне мозгове у лабораторији који су формирали замршене мреже и произвели мождане таласе сличне онима које је активирао мозак у пријевремено рођеној беби, показала је нова студија.
Идеја о узгоју минијатурних мозгова у лабораторији није нова; истраживачи то раде скоро деценију. Али већина студија користи ове мини мозгове или "органоиде" за проучавање структуре великих размера.
На пример, једна група је развила мини мозгове који могу да расту крвне судове, преноси раније Сциенце Сциенце. Друга група је изложила мини мозгове вирусу Зика да би разумела како он може довести до ненормално малих глава или микроцефалије.
Али у условима као што су аутизам, шизофренија, биполарни поремећај и чак депресија, "мозак је нетакнут и проблем се ослања на рад мреже", рекао је виши аутор студије Алиссон Муотри, ванредни професор на Одељењу за ћелијску и молекуларну медицину и директор програма матичних ћелија на Калифорнијском универзитету у Сан Дијегу. Ово је први пут да лабораторијски узгајани мозгови формирају замршене мреже неурона који производе јаке мождане таласе.
Да би то постигли, Муотри и његов тим су сакупљали људске матичне ћелије - које могу да се претворе у било коју врсту ћелија према тачним упутствима - које су изведене из коже и крви људи. Истраживачи су изложили ове матичне ћелије хемијским упутствима која ће их претворити у ћелије мозга.
Највећим делом ове ћелије формирају неуралне ћелије-потомке, ћелије специфичне за мозак које могу размножавати и стварати многе врсте можданих ћелија. Након два до пет месеци у лабораторијској ћелији, ове потомке формирају глутаматергичне неуроне, мождане ћелије које су „ексцитацијске“ или оне које шире информације.
Након отприлике четири месеца, мини мозгови су престали да стварају ексцитацијске неуроне и почели су да стварају астроците. Те ћелије мозга помажу у обликовању синапса, празнина између ћелија мозга где неуротрансмитери или мождане хемикалије преносе информације. Коначно, ћелије почетника су почеле да стварају инхибиторне неуроне, који угашавају мождану активност или заустављају неуроне у преношењу информација. Тада "активност почиње да постаје сложенија, јер сада уравнотежујемо узбуђење и инхибицију", рекао је Муотри.
Док су се ћелије делиле и разликовале, временом су се почеле „самоорганизовати у нешто што подсећа на људски кортекс“, рекао је Муотри. Кортекс је спољни слој мозга, који игра важну улогу у свести.
"Мини мозгови" у ствари не изгледају попут минијатурних верзија људског мозга. Умјесто тога, то су бијеле, сферне мрље које лебде у црвенкастој супи у којој су одрасле, рекао је Муотри. Израстали су у пречнику од само 0,2 инча (0,5 центиметара), али њихове неуронске мреже наставиле су да се развијају девет до 10 месеци пре заустављања, рекао је.
Током раста мини мозгова, тим је користио скуп ситних електрода које се повезују са неуронима за мерење мождане активности. Истраживачи су открили да су отприлике два месеца неурони у мини мозгу почели да испаљују спорадичне сигнале, и то све у истој фреквенцији. Након још неколико месеци развоја, мозгови су пуштали сигнале различитих фреквенција и редовније, што указује на сложеније мождане активности, рекао је Муотри.
Док су претходне студије показале да мини, лабораторијски произведени мозгови могу произвести пуцање можданих ћелија, истраживачи су их пријавили да пуцају око 3.000 пута у минути, рекао је Муотри. У овој студији, међутим, неурони су пуцали близу 300 000 пута у минути, што је "ближе људском мозгу", рекао је.
Тим је потом користио алгоритам машинског учења за поређење можданих активности ових мини мозгова са активностима превремено рођених беба. Истраживачи су обучавали свој програм како би научили мождане таласе снимљене код 39 превремено рођених деце између 6 и 9 и пол месеци.
Научници су затим унели узорке можданих таласа из мини мозга у алгоритам и открили су да после 25 недеља развоја мини мозга више није могао да разликује податке који долазе из људског мозга од оних који потичу из мозга који је одрастао у лабораторији. "Збуњује се и обоје даје исту доб", што упућује на закључак да су мини мозгови и људски мозак расли и развијали се слично, рекао је Муотри.
Ова студија показује „врло лепо да можете направити овај репродуктивни експериментални систем где можете да се бавите процесима који су толико битни за развој човека“, рекао је др Тхомас Хартунг, директор Јохнс Хопкинс Центра за алтернативе тестирању на животињама. који је такође радио на развоју мини мозга у лабораторији, али који није био део студије.
"Неприступачност ембрионалног мозга је један од разлога зашто ови модели нуде нешто другачије", рекао је. "Али то такође значи да имате врло ограничене могућности да кажете то права ствар." Иако су ЕЕГ сигнали слични сигналима код превремено рођених беба, време им је мало искључено, додао је.
Док је људски ембрион повезан са мајком и на тај начин прима сигнале споља, ови лабораторијски узгојени мозгови нису повезани ни са чим. "Ове ћелије немају улаза или излаза. Не могу препознати било шта што се догађа у свету", рекао је Хартунг. Дакле, они "дефинитивно нису" свесни.
С тим би се већина научника сложила, али "тешко је рећи", рекао је Муотри. "Ми се неурознанственици чак не слажемо која су мерења која се могу направити да се стварно испита да ли су свесни или не."
Људски мозак шаље своје сигнале да нам помогне у интеракцији са околином. На пример, гледамо бугу, очи шаљу сигнале ћелијама мозга, који сигнализирају једни другима и дају нам до знања да видимо бугу.
Па, зашто ови лабораторијски узгојени мозгови шаљу сигнале? О чему би они могли разговарати? "То је питање које не знамо, јер је ембрионални мозак заиста црна кутија", рекао је Муотри. Изгледа да већина сигнала у тим раним фазама укључује упутства за „само-повезивање“ или повезивање једно с другим, рекао је.
У сваком случају, рекао је да се нада да ће овакве студије помоћи да схватимо како рано ожичење мозга рађа наше сложене мозгове, и шта се дешава када то ожичење пође по криву.
Муотри и његов тим кажу да се сада надају да ће додатно стимулисати органоиде мозга да виде да ли ће се моћи развити након девет до 10 месеци. Истраживачи би такође желели да моделирају мождане поремећаје, на пример, креирајући мождане органоиде са ћелијама узетим од деце са аутизмом, како би разумели како се развијају њихове мождане мреже.
Открића су објављена данас (29. августа) у часопису Целл Стем Целл.
