Ученые вырастили мини-мозг из стволовых клеток

Ученые создали миниатюрный мозг из стволовых клеток, которые разработали функциональные нейронные сети. Несмотря на то, что мозг, выращенный в лаборатории, намного меньше человеческого мозга, он впервые обнаружил мозговые волны, которые напоминают мозговые волны недоношенных детей. Исследование, опубликованное 29 августа в журнале Cell Stem Cell, может помочь ученым лучше понять развитие человеческого мозга.

«Уровень нейронной активности, который мы наблюдаем, является беспрецедентным в лабораторных условиях», — говорит Алиссон Муотри, биолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Мы на один шаг ближе к тому, чтобы создать модель, способную генерировать стадии сложной нейронной сети».

Мозг размером с горошину, называемый церебральным органоидом, получен из плюрипотентных стволовых клеток человека. Помещая их в культуру, которая имитирует среду развития мозга, стволовые клетки дифференцируются в различные типы клеток мозга и самоорганизуются в трехмерную структуру, напоминающую развивающийся человеческий мозг.

Ученые успешно выращивают органоиды с клеточными структурами, подобными структурам человеческого мозга. Тем не менее, ни одна из предыдущих моделей не разработала человеческие функциональные нейронные сети. Сети появляются, когда нейроны становятся зрелыми и взаимосвязанными, и они необходимы для большинства видов деятельности мозга.

«Органоиды мозга можно использовать для нескольких целей, в том числе для понимания нормального развития нервной системы человека, моделирования заболеваний, развития мозга, скрининга лекарств и даже для информирования об искусственном интеллекте», — говорит Муотри.

Алиссон Муотри и его коллеги разработали лучшую процедуру для выращивания стволовых клеток, включая оптимизацию формулы культуральной среды. Эти корректировки позволили их органоидам стать более зрелыми, чем предыдущие модели. Команда ученых выращивала сотни органоидов в течение 10 месяцев и использовала многоэлектродные матрицы для мониторинга их нейронной активности.

Ученые начали обнаруживать вспышки мозговых волн от органоидов примерно через два месяца. Сигналы были редкими и имели одинаковую частоту, характерную для очень незрелого человеческого мозга. Поскольку органоиды продолжали расти, они производили мозговые волны на разных частотах, и сигналы появлялись более регулярно. Это говорит о том, что органоиды получили дальнейшее развитие своих нейронных сетей.

«Это результат наличия более функциональных синапсов, и вы формируете больше связей между нейронами», — говорит Муотри. Взаимодействия между нейронами вносят вклад в сигналы на разных частотах.

Чтобы сравнить паттерны мозговых волн органоидов с таковыми в человеческом мозге на ранних этапах развития, команда ученых разработала алгоритм машинного обучения с мозговыми волнами, записанными у 39 недоношенных детей в возрасте от шести до девяти месяцев. Алгоритм был в состоянии предсказать, сколько недель органоиды развились в культуре, что предполагает, что эти органоиды и мозг человека имеют сходную траекторию роста.

Однако маловероятно, что у этих органоидов есть умственные действия или присутствует сознание, говорит Муотри. «Органоид все еще является очень элементарной моделью — у нас нет других частей и структур мозга. Поэтому эти мозговые волны могут не иметь никакого отношения к деятельности в реальном мозге».

«Возможно, в будущем мы получим что-то, что действительно близко к сигналам человеческого мозга, которые управляют поведением, мыслями или памятью», — говорит Муотри.

Заглядывая вперед, исследователи нацелены на дальнейшее совершенствование органоидов и использование их для понимания заболеваний, связанных с нарушением функционирования нервной системы, таких как аутизм, эпилепсия и шизофрения.

«Как ученый, я хочу стать ближе к человеческому мозгу», — говорит Муотри. «Я хочу сделать это, потому что вижу в этом пользу. Я могу помочь людям с неврологическими заболеваниями, предоставив им лучшее лечение и лучшее качество жизни. Но мы сами должны решить, где находится предел. Возможно, технология еще не готова, или мы не знаем, как управлять технологией».

Cell Stem Cell, Trujillo, Gao, and Negraes et al.: «Complex oscillatory waves emerging from cortical organoids model early human brain network development» https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(19)30337-6 , DOI: 10.1016/j.stem.2019.08.002