Органоиды мозга, также известные как минимозги, это трёхмерные клеточные модели, создаваемые для представления разных аспектов человеческого мозга в лаборатории. Органоиды мозга помогают исследователям отследить развитие человека, разгадать, какие молекулярные явления приводят к заболеваниям, и тестировать новые методы лечения. Конечно, они не являются точными копиями мозга. Органоиды мозга не воспроизводят когнитивные функции, однако исследователи могут проверить, как изменяется физическая структура органоида или экспрессия генов с течением времени или в результате воздействия вируса или лекарства.
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего (University of California, San Diego) сделали ещё один шаг вперёд, достигнув беспрецедентного уровня активности нейронной сети, электрических импульсов, регистрируемых с помощью многоэлектродных сетей. Используя данные, полученные от детей, рождённых в период до трёх с половиной месяцев раньше срока, группа учёных разработала алгоритм прогнозирования их возраста, основанный на картине ЭЭГ. Затем алгоритм прочитал выращенные в лаборатории органоиды мозга и присвоил им возраст.
Паттерн электрического импульса для органоидов возраста 9 месяцев показал те же особенности, что и у недоношенного младенца, достигшего возраста 40 недель.
Оптимизированные органоиды мозга, статья о которых опубликована в Cell Stem Cell, дают возможность исследовать психические заболевания, не являющиеся результатом очевидных психологических изменений, а связанные с нарушением деятельности сетей клеток головного мозга, например, при аутизме или эпилепсии. Для множества подобных болезней отсутствуют адекватные лабораторные или животные модели.
«Сначала мы не могли поверить, думали, что наши электроды вышли из строя, — говорит ведущий автор исследования Алисон Муотри (Alysson R. Muotri), профессор педиатрии и клеточной и молекулярной медицины. — Данные были поразительными, поэтому многие отнеслись к ним скептически». Вместе с Муотри исследование возглавлял Брэдли Войтек (Bradley Voytek), доцент когнитивных наук.
Создание органоидов мозга начинается с образца кожи взрослого человека. В лаборатории исследователи преобразуют клетки кожи в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs). Как и большинство стволовых клеток с правильным соотношением молекулярных факторов, iPSCs могут быть направлены на специализацию в любой тип клеток. В данном случае они становятся клетками мозга — различными типами нейронов и нейроглии.
В Калифорнийском университете в Сан-Диего органоиды мозга были использованы для того, чтобы получить первое экспериментальное доказательство, что бразильский вирус Зика может вызывать серьёзные врождённые пороки развития, а также для перепрофилирования существующих препаратов против ВИЧ для лечения редкого наследственного неврологического расстройства. Муотри и его команда недавно отправили полученные ими органоиды на Международную космическую станцию для проверки воздействия микрогравитации на развитие мозга, и на перспективы возможности человеческой жизни за пределами Земли.
В последнем исследовании Муотри и его коллеги оптимизировали каждый шаг создания органоидов мозга. Например, они начинали с отдельных клеток, а не скоплений клеток, используемых в большинстве протоколов. Они также настроили точное время и локализацию факторов для детализации организации клеток мозга. По словам учёного, вначале не было никаких специальных составляющих или инноваций, но с течением времени появились усовершенствования.
Оптимизация окупилась с точки зрения клеточного разнообразия и активности клеточной сети. Например, учёные обнаружили конкретный нейрон, специфичный для приматов, его называют кортикальный ГАМК-эргический нейрон. Прежде его не удавалось прежде воссоздать в лабораторных условиях. По мнению Муотри, эти клетки играют важную роль в развитии нейронных сетей.
Для измерения активности клеточных сетей исследователи выращивали оптимизированные органоиды мозга на мультиэлектродных массивах. Электроды захватывают и записывают электрические импульсы, появляющиеся в виде волн и пиков при считывании ЭЭГ. Благодаря новому протоколу создания органоиды стали производить не 3000 импульсов в минуту, а 300000.
У людей колебания меняются с возрастом, по мере развития клеточных связей в мозгу. У новорождённого ребёнка, как правило, наблюдаются периоды отдыха (без волн) между периодами электрической активности. Такие тихие периоды становятся всё короче и короче по мере развития мозга. Со временем активность мозга становится постоянной, хотя всё ещё меняется по уровню. Разные образцы колебаний в активности мозга часто коррелируют с когнитивным или патологическим состоянием.
Муотри и его команда сравнили образцы колебаний созданных ими органоидов мозга с находящимся в публичном доступе набором данных из 567 ЭЭГ, полученных от 39 новорождённых, родившихся досрочно, ЭЭГ проводились, когда исследуемым было от 24 до 38 недель. Органоиды мозга с первых дней жизни до девяти месяцев вырабатывали схожие уровни электрической активности. Схема была похожая: в шумное время были более частые электрические импульсы.
Муотри говорит, что его часто спрашивают об этических аспектах работы: «Не слишком ли близко мы подходим к воссозданию человеческого мозга?» Органоиды мозга коренным образом отличаются от человеческого мозга, объясняет он. Например, они в несколько раз меньше, чем мозг взрослого человека. У них нет полушарий и кровеносных сосудов. Они не окружены защитой черепа и не связаны с другими тканями.
«Они далеки от функционального эквивалента целой коры головного мозга, даже детского, — сказал Муотри. — На самом деле, у нас ещё нет способа измерить наличие сознания или чувств».
Органоиды мозга могут годами жить в лаборатории, но их активность стабилизируется после девяти месяцев. По словам учёного, причиной этого может быть ряд оснований, в том числе отсутствие кровеносных сосудов и необходимость в дополнительных нейронах для продолжения созревания мозга.
Муотри говорит, что чем лучше органоиды мозга могут в лаборатории имитировать настоящий человеческий мозг, тем меньше исследователи будут нуждаться в животных моделях и тканях плода, чтобы понимать и лечить человеческие заболевания.
«Наша работа пока не заменяет потребность в исследованиях эмбриональной ткани мозга человека, но она весьма привлекательна в качестве альтернативы», — сказал исследователь.
