Модульный мини-мозг. Как ученые собирают по «деталям» человеческий мозг
Лабораторным моделям головного мозга далеко до живого мозга человека. Как ученые приближаются к созданию новой жизни и что такое модульный мини-мозг? Если вы хотите создать хорошую живую копию человеческого мозга, лучшим шансом могут стать «органоиды» различных его частей, из которых уже можно собирать мозг, как конструктор. Ну, не совсем как конструктор. А как именно, разбирались в нашем материале.
На что надеяться?
Церебральный органоид, или мини-мозг, может быть выращен в лаборатории. Он содержит разнообразные типы клеток и внутренних структур, которые могут составить модель мозга, оказавшуюся жизнеспособной во многих экспериментах.
Человеческий мозг все время называют самым сложным объектом в нашей Вселенной. Поэтому кажется маловероятным, что сгустки клеток мозга размером с горошину, которые выращивают в пробирке, могут быть настолько полезны в нейрофизиологии. Тем не менее, многие исследователи берутся выращивать эти биологические системы. С органоидами исследователи могут проводить такие эксперименты, какие невозможно себе представить с участием живого мозга.
Существующие сегодня церебральные органоиды далеки от статуса «мозг», даже если это мини-мозг. Но последние публикации свидетельствуют, что церебральный органоид головного мозга эмбриона может стать переломом в науке, а будущее таких исследований зависит не столько от решения: как создать крошечные идеальные копии целого мозга, сколько от того, как именно воспроизвести отдельные части развивающегося мозга, которые, могли бы ужиться друг с другом. Когда люди научились производить взаимодополняемые детали в массовом производстве, произошла промышленная революция. Учёные надеются, что улучшение качества органоидов поможет прийти к революции в изучении человеческого мозга.
Первые победы, новые преграды
В 2013 Мэдлин Ланкастер из Австрийской Академии наук создал первый настоящий церебральный органоид. Случилось это, когда ученый обнаружил: стволовые клетки растут в благоприятной гелевой среде, в виде мелких сферических масс, организующих работу тканей мозга. Изучение проблем мини-мозга процветает сегодня в лабораториях по всему миру.
Нетерпеливые экспериментаторы бьются над задачей довести мини-мозг до сходства с реальным, однако на данный момент это слишком далекая цель. Его анатомия искажена, он лишен кровеносных сосудов и некоторых слоев ткани, нейроны в мини-мозге есть, но нет важных глиальных клеток , основополагающего белого вещества, которого часто не хватает мозгу.
Но хуже всего несоответствие органоидов: они слишком сильно отличаются друг от друга. По свидетельствам Арнольда Крегштейна , директора по развитию программы клеточной биологии в Калифорнийском университете, Сан-Франциско, изготовление равномерно развивающихся органоидов очень проблематично, даже когда ученые используют тот же алгоритм создания и одинаковый строительный материал. «Это делает эксперимент очень трудно контролируемым. А выводы такого эксперимента сложно обосновать», – говорит Крегштейн.
Исследователи смогли снизить затраты, связанные с изменчивостью органоидов на первых стадиях роста. Дифференциация нейронов при одновременном их росте минимальная. Но состав клеток отличается от реального мозга, так как в реальных сетях мозга существует функциональное одеяло из различных типов клеток, некоторые из которых возникают, в то время как другие мигрируют из других областей мозга.
Например, в коре головного мозга человека – около 20% клеток занимают нейроны – а если точнее, интернейроны, которые оказывают тормозящее действие – мигрирующие туда из более глубоких участков мозга, например, медиального ганглионарного слоя. Проще говоря, в коре модели органоида будет не хватать этих интернейронов, а потому изучение возникновения и развития в мозге баланса возбуждающих и тормозных сигналов было бы бесполезным.
Это изображение 40-дневного органоида. Синие точки - ядра клеток, красные пятна - предшественники нейронов, зеленые пятна - дифференцированные нейроны
«Всех их вместе соберем»
Различные пути решения этих проблем были предложены в последних исследованиях нейрофизиологов. Они указывают на возможность модульного подхода к созданию мини-мозга, то есть из органоидов различных регионов мозга. При этом органоиды смогут взаимодействовать друг с другом, а потому и в дальнейшем своем развитии будут не так сильно отличаться друг от друга.
Последнего существенного результата удалось добиться две недели назад в лаборатории стволовых клетках Йельского центра. На первом этапе таких экспериментов ученые из Йеля использовали человеческие плюрипотентные стволовые клетки (некоторые из крови, другие – из зародышей), чтобы создать отдельные участки органоида коры мозга. Смешанные пары шаровидных органелл исследователи заставили расти бок о бок. В течение нескольких недель, пара органоидов перегорела. Но самое главное, что увидела Йельская команда, – это то, что, как и при правильном развитии живого мозга, ингибирующие интернейроны из более глубокого медиального ганглионарного слоя головного мозга способны перекочевать в органоид корковых масс, интегрироваться в нейронные сети, так же, как в развивающемся мозге эмбриона.
Ранее в этом году команда из Стэнфордской университетской школы медицины и Австрийской Академии наук США опубликовала отчеты об аналогичных экспериментах, в которых были хорошо развиты органоиды корковых и глубинных участков мозга, а потом соединены вместе.
Таким образом, исследователи добились главного: стало возможным соединить стволовые клетки с выращенным ими органоидом. В итоге они обнаружили, что сросшиеся органоиды дали нейронные сети с вполне реалистичным сочетанием возбуждающих и тормозящих нейронов, а также вспомогательных клеток, и что результаты их исследований могут дать больше гарантий в создании наиболее реалистичного мини-мозга, чем старые его модели.
Это видео показывает, что происходит, когда два церебральных органоида, представляющих различные области мозга, объединяются.
"Клетки сами знают, как им лучше"
По мнению Крегштейна, все эти последние эксперименты прекрасно иллюстрируют, что клетки органоидов могут легко трансформироваться в зрелые, здоровые ткани, если создать для них благоприятные условия. «Как только вы направите ткани на определенную траекторию развития, они сами сообразят, как им хорошо устроиться, минимально прибегая к вашей помощи», – говорит директор программы клеточной биологии Калифорнийского университета. Он считает, что специализированные органоиды можно вывести на новый уровень экспериментального контроля неврологических исследований.
«Ученые могли бы изучать органоиды мозга для получения информации о развитии различных участков мозга», а также использовать информацию о взаимодействии различных клеток мозга, когда они начнут мигрировать и сталкиваться друг с другом.
Модульный мозг для клинической психологии: рано или уже пора?
Инхен Парк , помощник профессора генетики, который проводил исследование в Йельском университете, надеется, что органоиды мозга уже могут быть полезны в ходе предварительного исследования источников некоторых нервно-психических заболеваний, таких как аутизм и шизофрения. Факты свидетельствуют, что в этих условиях, как говорит Парк, «по-видимому, существует дисбаланс между возбуждающими и ингибирующими нейронами. Так что эти болезни могут быть изучены с помощью использования современных разработанных нами моделей.
Крегстайн, однако, предлагает не спешить с оглашением значения органоида для клинической психологии. «Чего нам действительно не хватает, так это золотого стандарта в области развития человеческого мозга для определения того, насколько хорошо созданные нами органоиды имитируют нормальное состояние живого мозга», – заявляет он.
Мини-мозг для человека, большой шаг для человечества
Любые дальнейшие исследования органоидов в конечном итоге будут сводиться к поиску способов сделать их более похожими на живой мозг. Он также не отказался от надежды, что однажды мы сможем увидеть создание полноценного мини-мозга в лаборатории. Это стало бы самой наглядной демонстрацией того, что происходит в нашей голове. Возможно, это позволит ученым производить более сложный синтез органоидов различных участков мозга или потребует более сложного использования питательных сред и химических веществ для выращивания органоида человеческого мозга на стадии эмбриона. «Мы должны апробировать подход к созданию органоида человеческого мозга из органоидов переднего, среднего и заднего мозга вместе взятых», – заключает Парк.
Комментарии