Исследователи из Стэнфордского университета трансплантировали человеческие нейроны в мозг крыс и наблюдали, как они превращаются в гибридные мозговые цепи. После ученые тщательно изучали поведение грызунов. Фактически, эксперимент позволил увидеть, как мозг крысы превращается в живую лабораторию для изучения когнитивных расстройств.

Когда речь заходит об исследовании человеческого тела, именно мозг считается сложнейшим органом для изучения. Один из способов его изучения — выращивание лабораторных органоидов. В их основе лежат стволовые клетки, которые подвергаются воздействию факторов роста, стимулирующих созревание и развитие в иные типы клеток мозга, которые затем собираются в трехмерные структуры.

Само собой, речь не идет об исследовании сознания. Но такие структуры служат ученым моделью для изучения таких расстройств, как эпилепсия, аутизм, шизофрения. Вместе с этим они также помогают:

• Тестировать работоспособность лекарственных препаратов. 

• Исследовать то, как мозг отращивает с нуля сеть кровеносных сосудов.

• Определять природу и механизмы возникновения электрических сигналов в мозге.

• Выращивать примитивные глаза, способные воспринимать свет.

В прошлом году Серджиу Паска, профессор психиатрии и поведенческих наук в Стэнфордской школе медицины, озвучил результаты по выращиванию в лаборатории 20-месячных органоидов мозга. До этой работы считалось, что выращенный в лаборатории мозг не способен созревать дальше стадии, равной стадии развития плода.

Исследование доказало, что эти органоиды могут созревать так же, как человеческий мозг, следуя внутренним биологическим часам, чтобы достичь постнатальной зрелости на временной шкале, параллельной развитию in vivo. Но проблема в том, что такие участки мозга, выращенные в «чашке Петри», крайне сложно исследовать. 

Мы создавали все более сложные системы, используя органоиды и их комбинации, называемые ассемблоидами. Но нейроны в лабораторных чашках все еще отстают в своем развитии по сравнению с тем, что происходит в естественно развивающемся человеческом мозгу. Многочисленные проблемы, такие как нехватка питательных веществ и факторов роста, эндотелиальных клеток, формирующих кровеносные сосуды, или сенсорные раздражители, препятствуют развитию клеток в лабораторной чашке.

Серджиу Паска, профессор психиатрии и поведенческих наук в Стэнфордской школе медицины.

В своей последней работе Паска и его команда трансплантировали мозговые органоиды, напоминающие кору головного мозга человека, почти 100 молодым крысам. Крысам было два или три дня от роду, что эквивалентно человеческому младенчеству. Цель имплантации в том, чтобы органоиды могли образовывать связи и эволюционировать вместе с мозгом крысы. 

Вскоре эндотелиальные клетки крыс мигрировали в ткани мозга человека, чтобы сформировать кровеносные сосуды, снабжая их питательными веществами и сигнализируя о способности избавляться от отходов жизнедеятельности. Иммунные клетки в мозге крыс последовали этому примеру, освоившись в трансплантированной ткани. После этого имплантированные органоиды не только выжили, но и выросли до такой степени, что заняли около трети полушария мозга крысы.

Отдельные нейроны из органоидов также быстро росли, закрепившись в мозгу крысы, чтобы сформировать связи с естественными участками мозга грызунов, в том числе с областью таламуса, которая отвечает за передачу сенсорной информации от тела.

Это соединение могло обеспечивать передачу сигналов, необходимых для оптимального созревания и интеграции нейронов человека.

Серджиу Паска, профессор психиатрии и поведенческих наук в Стэнфордской школе медицины.

Затем ученые обратили внимание на болезни, создав органоид, используя клетки кожи, полученные от пациента с синдромом Тимоти, состоянием мозга, связанным с аутизмом и эпилепсией. Этот органоид был трансплантирован в одну сторону мозга крысы, а органоид, созданный из клеток здорового субъекта, был трансплантирован в другую сторону, выступая контрольной выборкой. Через 5-6 месяцев созревания, ученые выявили значительные различия в электрической активности. Нейроны участка от пациента с синдромом Тимоти были намного меньше и имели меньше сигнальных структур, называемых дендритами.

Мы многое узнали о синдроме Тимоти, изучая органоиды, выращенные в чашке. Но только с трансплантацией мы смогли увидеть различия, связанные с активностью нейронов.

Серджиу Паска, профессор психиатрии и поведенческих наук в Стэнфордской школе медицины.

Но самое поразительное открытие было сделано в результате экспериментов по способности гибридного мозга крыс обрабатывать сенсорную информацию. Потоки воздуха направлялись на усы крыc. В ответ на раздражитель активизировались человеческие нейроны. 

В другом эксперименте участвовали органоиды, модифицированные для реагирования на синий свет, который подавался через ультратонкие волоконно-оптические кабели. Импульсы синего света использовались для активации этих нейронов. После активации нейронов от синего спектра, крысам давали воду. Это происходило в течение 15-дневного «тренировочного периода», во время которого крыс учили, что активация этих нейронов означает приближение награды, побуждая их бежать за наградой к водосточному желобу. То, что крысы научились связывать стимуляцию синим светом с доступностью воды, показывает, что имплантированная человеческая ткань может функционировать как часть схемы поиска вознаграждения в мозгу крысы.

Исследователи показывают, что нейроны человека при активации влияют на поведение крыс. Человеческие клетки буквально функционально связаны с крысиным мозгом.

Д-р Юрген Кноблих, научный директор Австрийского института молекулярной биотехнологии, не участвовавший в исследовании.

Это самая передовая схема человеческого мозга, когда-либо созданная из клеток человека. Такая биоплатформа позволяет контролировать и наблюдать за поведением крыс открывая новые захватывающие возможности для изучения нервно-психических расстройств.