Oamenii de știință au creat creiere în miniatură în laborator, care au format rețele complexe și au produs valuri cerebrale similare cu cele tras de creierul în curs de dezvoltare al unui copil uman prematur, potrivit unui nou studiu.
Ideea de a crește creiere în miniatură în laborator nu este nouă; cercetătorii fac acest lucru de aproape un deceniu. Însă majoritatea studiilor au folosit aceste creiere mini sau „organoide” pentru a studia structura la scară largă.
De exemplu, un grup a dezvoltat mini creiere care ar putea crește vasele de sânge, Live Science a raportat anterior. Un alt grup a expus creierele mini la virusul Zika pentru a înțelege cum poate duce la capete anormal de mici sau la microcefalie.
Dar în condiții precum autismul, schizofrenia, tulburarea bipolară și chiar depresia, „creierul este intact și problema se bazează pe operațiunile rețelei”, a declarat autorul principal al studiului, Alysson Muotri, profesor asociat la Departamentul de Medicină Celulară și Moleculară și directorul Programului pentru celule stem la Universitatea din California, San Diego. Aceasta este prima dată când creierele de laborator au creat rețele complexe de neuroni care au produs valuri puternice ale creierului.
Pentru a face acest lucru, Muotri și echipa sa au recoltat celule stem umane - care se pot transforma în orice tip de celule, date instrucțiunile corecte - derivate din pielea și sângele oamenilor. Cercetătorii au expus aceste celule stem la instrucțiuni chimice care ar transforma celulele în celule ale creierului.
În cea mai mare parte, aceste celule au format celule progenitoare neuronale, celule specifice creierului care pot prolifera și pot da naștere la multe tipuri de celule ale creierului. După două-cinci luni într-un vas de laborator, aceste celule progenitoare formează neuroni glutamatergici, celule ale creierului care sunt „excitatorii” sau cele care propagă informația.
După aproximativ patru luni, creierele mini au încetat să mai creeze neuroni excitatori și au început să facă astrocite. Aceste celule ale creierului ajută la formarea sinapselor, lacunele dintre celulele creierului în care neurotransmițătorii sau substanțele chimice ale creierului transmit informații. În cele din urmă, celulele progenitoare au început să creeze neuroni inhibitori, care sting activitatea creierului sau opresc neuronii să transmită informații. Atunci, „activitatea începe să devină mai complexă, pentru că acum echilibrăm excitația și inhibarea”, a spus Muotri.
In timp ce celulele se divideau si se diferentiau, in cele din urma au inceput sa se "autoorganizeze in ceva care seamana cu cortexul uman", a spus Muotri. Cortexul este stratul exterior al creierului, care joacă un rol important în conștiință.
„Mini creierele” nu arată, de fapt, ca niște versiuni în miniatură ale creierului uman. Mai degrabă, sunt blobe albe, sferice, care plutesc în supa roșiatică în care sunt crescute, a spus Muotri. Au crescut la doar 0,2 inci (0,5 centimetri) în diametru, dar rețelele lor neuronale au continuat să evolueze timp de nouă până la 10 luni înainte de oprire, a spus el.
De-a lungul creșterii creierului mini, echipa a folosit un set de electrozi minusculi care se conectează la neuroni pentru a măsura activitatea creierului. Cercetătorii au descoperit că la aproximativ două luni, neuronii din creierul mini au început să emită semnale sporadice, toate la aceeași frecvență. După câteva luni de dezvoltare, creierele au tras semnale la diferite frecvențe și mai regulat, ceea ce indică o activitate cerebrală mai complexă, a spus Muotri.
În timp ce studiile anterioare au arătat că creierele mini, produse de laborator, ar putea produce arderea celulelor creierului, cercetătorii au raportat că au tras în jurul valorii de 3.000 de ori pe minut, a spus Muotri. În acest studiu, cu toate acestea, neuronii au tras aproape de 300.000 de ori pe minut, ceea ce este "mai aproape de creierul uman", a spus el.
Apoi, echipa a folosit un algoritm de învățare automată pentru a compara activitatea creierului acestor mini creiere cu cea a bebelușilor prematuri. Cercetătorii și-au instruit programul pentru a învăța undele cerebrale înregistrate de la 39 de copii prematuri între 6 și 9 luni și jumătate.
Apoi, oamenii de știință au introdus în algoritm modelele de unde cerebrale din creierul mini și au descoperit că după 25 de săptămâni de dezvoltare a creierului mini, acesta nu mai putea distinge datele care provin din creierul uman de cel derivat din creierul cultivat în laborator. "Se confunda si ofera aceeasi varsta ambilor", ceea ce sugereaza ca creierul mini si creierul uman au crescut si se dezvolta in mod similar, a spus Muotri.
Acest studiu arată "foarte frumos că puteți face aceste sisteme experimentale reproductibile, unde puteți aborda procese care sunt atât de fundamentale pentru dezvoltarea unei ființe umane", a spus dr. Thomas Hartung, directorul Centrului Johns Hopkins pentru alternative la testarea pe animale care a lucrat și la dezvoltarea mini-creierelor în laborator, dar care nu a făcut parte din studiu.
„Inaccesibilitatea creierului embrionar este unul dintre motivele pentru care aceste modele oferă ceva diferit”, a spus el. "Dar înseamnă, de asemenea, că aveți oportunități foarte limitate de a spune lucrul real." În timp ce semnalele EEG sunt similare cu cele ale bebelușilor înainte de termen, sunt ușor opriți în timp, a adăugat el.
În timp ce un embrion uman este conectat la mamă și astfel primește semnale din exterior, aceste creiere de laborator nu sunt conectate la nimic. „Aceste celule nu au intrare sau nu au ieșire, nu pot recunoaște nimic care se întâmplă în lume”, a spus Hartung. Deci sunt „cu siguranță nu” conștienți.
Asta ar fi de acord cu majoritatea oamenilor de știință, dar „este greu de spus”, a spus Muotri. „Neuroștiștii nici nu suntem de acord care sunt măsurătorile pe care le putem face pentru a sonda efectiv pentru a vedea dacă sunt conștiente sau nu”.
Creierul uman trimite semnalele sale pentru a ne ajuta să interacționăm cu mediul nostru. De exemplu, ne uităm la o eroare, ochii trimit semnale către celulele creierului, care se semnalează reciproc și ne anunță că vedem o eroare.
Deci, de ce aceste creiere de laborator transmit semnale? Despre ce ar putea vorbi? „Aceasta este o întrebare pe care nu o știm, pentru că creierul embrionar este într-adevăr o cutie neagră”, a spus Muotri. Se pare că majoritatea semnalelor din aceste stadii incipiente implică instrucțiuni de „auto-fir” sau de conectare între ele, a spus el.
În orice caz, el a spus că speră că astfel de studii ne vor ajuta să înțelegem cum cablul cerebral timpuriu dă naștere la creierele noastre complexe și ce se întâmplă atunci când cablarea se deranjează.
Muotri și echipa sa au spus că acum speră să stimuleze organoidele creierului pentru a vedea dacă pot dezvolta peste nouă-zece luni. Cercetătorii ar dori, de asemenea, să modeleze tulburările creierului, de exemplu, prin crearea organoidelor creierului cu celule prelevate de la copii cu autism, pentru a înțelege cum se dezvoltă rețelele lor cerebrale.
Rezultatele au fost publicate astăzi (29 august) în revista Cell Stem Cell.
