Retort hjerne med aktive hjernebølger

Tenkende organer avlet på laboratoriet viser aktivitetsmønstre til funksjonelle hjernenett

Tverrsnitt gjennom en hjerneorganoid. Hver farge tilsvarer en annen celletype. © Muotri Lab / UCTV
lese høyt

Utrolig nær originalen: Forskere har for første gang avlet hjerner på laboratoriet som viser komplekse hjernebølger - de produserer hjernebølgesignaler akkurat som en ekte hjerne. Aktivitetsmønstrene til disse stamcellevokste miniorganene er delvis lik de for premature babyer. Dette antyder at retort-hjerne ikke bare anatomisk ligner den virkelige hjernen, men at de også kan danne hjernetypiske funksjonelle nettverk.

Utviklingen og funksjonen av den menneskelige hjernen er fortsatt bare delvis forstått. Med dyremodeller og hjerneskanninger alene, kan forskere aldri helt oppdage hemmelighetene til dette komplekse og fascinerende sinnet. Derfor har de lett etter måter å dyrke menneskelige hjerner i prøverøret med stamceller på.

Reproduksjonene av nevralt vev er blitt mer og mer sammensatte de siste årene. I mellomtiden kan "mini-hjerner" dukke opp i laboratoriet, som har lignende cellulære strukturer som originalen og hvis celler til og med kommuniserer med hverandre. Imidlertid: ingen av disse såkalte organoider har så langt dannet funksjonelle nettverk som de er kjent av hjernen vår. Imidlertid er disse komplekse kryssene av nevroner kritiske for mest hjerneaktivitet.

Retort hjernen er bare ertestørrelse. © Muotri Lab / UCTV

Ærstørrede organoider

Desto mer spennende er det forskere av Cleber Trujillo ved University of California i San Diego har oppnådd: De avlet først retorthjerner på et tidlig stadium av utviklingen som har utviklet funksjonelle nettverk. Erte-størrelse "mini-hjerner", som deres forgjenger, vokste fra induserte pluripotente stamceller som teamet hadde trukket ut fra hudceller.

Når disse omprogrammerte cellene plasseres i et spesielt kultursystem, danner de gradvis hjernetypiske celletyper og strukturer. Trujillo og kollegene optimaliserte blant annet dette miljøet for studiet. De endret sammensetningen av næringsmediet så vel som tidssekvensen der visse faktorer tilsettes kulturen. Takket være disse justeringene utviklet organoidene deres lenger enn tidligere modeller og nådde et høyere modenhetsstadium med mer cellediversitet. utstilling

Den første hjernen bølger

Men ville disse fremskrittene også gjenspeiles i hjerneaktivitet? For å finne ut av det, vokste forskerne hundrevis av "mini-hjerner" i ti måneder. De overvåket kontinuerlig de elektriske signalene fra deres organoider.

Resultatet: Etter to måneder la forskerne merke til de første hjernebølgene. Disse signalene var fremdeles sjeldne og ble avbrutt gang på gang av pauser uten aktivitet akkurat som det er kjent av tidlige menneskelige hjerner. I løpet av hjerneutviklingen blir disse stille fasene vanligvis kortere og kortere til hjernen viser kontinuerlig uttalte aktivitetsmønstre.

Mer og mer sammensatt

Dette er nøyaktig hva som skjedde i kopiene på laboratoriet, som Trujillos team rapporterer: Organoidene produserte hjernebølger med forskjellige frekvenser, og signalene registrert av elektroencefalogram (EEG) ble mer og mer hyppige tegn på det At mer funksjonelle koblinger hadde blitt dannet.

"Vi kunne ikke tro det med det første og trodde at elektrodene våre ville være ødelagte, " sier Trujillos kollega Alysson Muotri. Men ytterligere studier bekreftet at retorthjernen faktisk så ut til å ha utviklet nettverk av nevrale forbindelser.

Likhet med baby hjerner

I hvilken grad disse funksjonelle nevrale nettverk lignet den menneskelige modellen, viste sammenligninger med EEG-data fra ulikt utviklede kvinner. Forskerne trente en intelligent algoritme med denne informasjonen og konfronterte deretter programmet med hjernebølgeregistreringene av organoidene.

Frapping: Algoritmen kunne forutsi overraskende godt med disse dataene, hvor mange uker "mini-hjernen" hadde vokst i det kulturelle systemet. Miniatyrreplikatene så ut til å utvikle seg i det minste delvis som hjernen til babyene, som forskerteamet forklarer.

Fortsatt langt fra å tenke

"Mengden nevronal aktivitet vi ser i våre organoider har aldri blitt sett in vitro før, " bemerker Muotri. "Dette bringer oss ett skritt nærmere en modell som faktisk kan kartlegge komplekse hjernenettverk i tidlig fase." I fremtiden kan organoider bidra til å behandle slike tilstander som epilepsi, autisme eller Forsker på schizofreni - sykdommer forbundet med hjernesykdommer.

En ting er imidlertid klar til tross for all fremgang: bevisst som å tenke som oss, er "minihjerneene" langt fra i stand til å gjøre det. "Organoiden er fremdeles en veldig rudimentær modell, " sier Muotri. "Det fungerer ikke alltid som en komplett cortex, til og med en baby." Av denne grunn kan ikke retort hjerne så langt erstatte forskningen med ekte hjernevev. "Men de er et potensielt alternativ, " avslutter Muotri. (Cell Stem Cell, 2019; doi: 10.1016 / j.stem.2019.08.002)

Kilde: Cell Press / University of California San Diego

- Daniel Albat