Podľa novej štúdie vedci vytvorili v laboratóriu miniatúrne mozgy, ktoré vytvorili zložité siete a vytvorili mozgové vlny podobné tým, ktoré vystrelil vyvíjajúci sa mozog predčasne narodeného dieťaťa.
Myšlienka pestovania miniatúrnych mozgov v laboratóriu nie je nová; vedci to robia už takmer desať rokov. Väčšina štúdií však používa tieto mini mozgy alebo „organoidy“ na štúdium rozsiahlych štruktúr.
Napríklad jedna skupina vyvinula mini mozgy, ktoré by mohli pestovať krvné cievy, uvádza spoločnosť Live Science. Ďalšia skupina vystavila mini mozog vírusu Zika, aby pochopila, ako môže viesť k abnormálne malým hlavám alebo mikrocefálii.
Ale v podmienkach, ako sú autizmus, schizofrénia, bipolárna porucha a dokonca aj depresia, „je mozog neporušený a problém sa spolieha na fungovanie siete,“ uviedol hlavný autor štúdie Alysson Muotri, docent na Katedre bunkovej a molekulárnej medicíny a riaditeľka programu kmeňových buniek na University of California v San Diegu. Toto je prvýkrát, čo mozgy pestované v laboratóriu vytvorili zložité siete neurónov, ktoré produkovali silné mozgové vlny.
Za týmto účelom Muotri a jeho tím zozbierali ľudské kmeňové bunky - ktoré sa môžu na základe správnych pokynov premeniť na akýkoľvek typ bunky - odvodené z ľudskej kože a krvi. Vedci tieto kmeňové bunky vystavili chemickým inštrukciám, ktoré ich premenia na mozgové bunky.
Väčšinou tieto bunky tvorili nervové progenitorové bunky, mozgovo špecifické bunky, ktoré sa môžu množiť a viesť k vzniku mnohých typov mozgových buniek. Po dvoch až piatich mesiacoch v laboratórnej miske tieto progenitorové bunky tvoria glutamatergické neuróny, mozgové bunky, ktoré sú „excitatívne“ alebo bunky, ktoré šíria informácie.
Asi po štyroch mesiacoch prestali mini mozgy vytvárať excitačné neuróny a začali vytvárať astrocyty. Tieto mozgové bunky pomáhajú tvarovať synapsie, medzery medzi mozgovými bunkami, kde informácie prenášajú neurotransmitery alebo mozgové chemikálie. Nakoniec progenitorové bunky začali vytvárať inhibičné neuróny, ktoré tlmia mozgovú aktivitu alebo bránia neurónom v odovzdávaní informácií. Vtedy „aktivita začína byť komplexnejšia, pretože teraz vyvážime excitáciu a inhibíciu,“ povedal Muotri.
Kým sa bunky delili a diferencovali, nakoniec sa začali „organizovať do niečoho, čo pripomína ľudskú kôru,“ povedal Muotri. Kôra je vonkajšou vrstvou mozgu, ktorá hrá pri vedomí dôležitú úlohu.
„Mini mozgy“ v skutočnosti nevyzerajú ako miniatúrne verzie ľudských mozgov. Sú to skôr biele guľovité guľky, ktoré plávajú v červenkastej polievke, v ktorej sa pestujú, povedal Muotri. Vyrastali v priemere iba 0,2 palca (0,5 centimetra), ale ich neurónové siete sa pred zastavením naďalej vyvíjali deväť až desať mesiacov, uviedol.
Počas rastu malých mozgov použil tím sadu malých elektród, ktoré sa spájajú s neurónmi na meranie mozgovej aktivity. Vedci zistili, že približne dva mesiace začali neuróny v mini mozgu strieľať ojedinelé signály, všetky s rovnakou frekvenciou. Po niekoľkých ďalších mesiacoch vývoja mozog vystrelil signály pri rôznych frekvenciách a pravidelnejšie, čo naznačuje zložitejšiu mozgovú aktivitu, uviedol Muotri.
Zatiaľ čo predchádzajúce štúdie ukázali, že mozgy produkované v laboratóriách by mohli produkovať mozgové bunky, vedci ich informovali, že ich výstrely sa pohybujú okolo 3 000 krát za minútu, uviedol Muotri. V tejto štúdii však neuróny vystrelili takmer 300 000 krát za minútu, čo je „bližšie k ľudskému mozgu“.
Tím potom použil algoritmus strojového učenia na porovnanie mozgovej aktivity týchto malých mozgov s aktivitou predčasne narodených ľudských detí. Vedci vyškolili svoj program na učenie sa mozgových vĺn zaznamenaných od 39 predčasne narodených detí vo veku 6 až 9 a pol mesiaca.
Vedci potom do algoritmu vložili vzory mozgových vĺn z mini mozgov a zistili, že po 25 týždňoch mini mozgového vývoja už nedokázal rozlíšiť údaje pochádzajúce z ľudského mozgu od údajov pochádzajúcich z laboratórneho mozgu. „Je to zmätené a obidvom dáva rovnaký vek,“ čo naznačuje, že mini mozgy a ľudské mozgy rástli a vyvíjali sa podobne, povedal Muotri.
Táto štúdia ukazuje, „veľmi pekne, že môžete vytvoriť tento reprodukovateľný experimentálny systém, v ktorom môžete riešiť procesy, ktoré sú také zásadné pre rozvoj ľudskej bytosti“, povedal Dr. Thomas Hartung, riaditeľ Centra pre alternatívy k testovaniu na zvieratách Johna Hopkinsa. ktorý tiež pracoval na vývoji mini-mozgov v laboratóriu, ale ktorý nebol súčasťou štúdie.
„Nedostupnosť embryonálneho mozgu je jedným z dôvodov, prečo tieto modely ponúkajú niečo iné,“ uviedol. „Znamená to však tiež, že máte veľmi obmedzené možnosti povedať to pravé.“ Kým signály EEG sú podobné signálom predčasne narodených detí, sú načasovanie trochu mimo, dodal.
Kým je ľudské embryo spojené s matkou, a teda prijíma signály zvonka, tieto mozgy pestované v laboratóriu nie sú spojené s ničím. „Tieto bunky nemajú žiadny vstup alebo žiadny výstup, ktorý nedokážu rozpoznať nič, čo sa deje vo svete,“ povedal Hartung. Takže si „určite nie“ uvedomujú.
To je to, na čom sa väčšina vedcov zhodne, ale „je ťažké povedať,“ povedal Muotri. „My neurovedci dokonca nesúhlasíme s meraniami, ktoré je možné urobiť, aby sa skutočne zistilo, či sú pri vedomí alebo nie.“
Ľudský mozog vysiela svoje signály, aby nám pomohol komunikovať s prostredím. Napríklad sa pozeráme na chybu, oči vysielajú signály do mozgových buniek, ktoré si navzájom signalizujú, a dajte nám vedieť, že sme svedkami chyby.
Prečo tieto mozgy pestované v laboratóriu vysiela signály? O čom by sa mohli rozprávať? „To je otázka, ktorú nevieme, pretože embryonálny mozog je skutočne čiernou skrinkou,“ povedal Muotri. Zdá sa, že väčšina signálov v týchto raných štádiách zahŕňa pokyny na „vedenie“ alebo spojenie medzi sebou, uviedol.
V každom prípade povedal, že dúfa, že takéto štúdie pomôžu pochopiť, ako včasné zapojenie mozgu vedie k vzniku našich zložitých mozgov a čo sa stane, keď sa zapojenie zhorší.
Muotri a jeho tím uviedli, že teraz dúfajú, že stimulujú mozgové organoidy ďalej, aby zistili, či sa môžu vyvíjať po deviatich až desiatich mesiacoch. Vedci by tiež chceli modelovať poruchy mozgu, napríklad vytvorením mozgových organoidov s bunkami odobratými deťom s autizmom, aby pochopili, ako sa vyvíjajú ich mozgové siete.
Zistenia boli uverejnené dnes (29. augusta) v časopise Cell Stem Cell.
