Forskere skabte miniatyrhjerner i laboratoriet, som dannede intrikate netværk og producerede hjernebølger, der svarer til dem, der blev fyret af den udviklende hjerne hos en for tidligt menneskelig baby, ifølge en ny undersøgelse.
Ideen om at dyrke miniatyrhjerner i laboratoriet er ikke ny; forskere har gjort det i næsten et årti. Men de fleste undersøgelser har brugt disse mini-hjerner eller "organoider" til at studere storstilet struktur.
For eksempel udviklede en gruppe mini-hjerner, der kunne vokse blodkar, rapporterede Live Science tidligere. En anden gruppe udsatte mini-hjerner for Zika-virussen for at forstå, hvordan det kan føre til unormalt små hoveder eller mikrocefali.
Men under tilstande som autisme, skizofreni, bipolar lidelse og endda depression, "hjernen er intakt, og problemet er afhængig af netværkets operationer," sagde seniorforfatter Alysson Muotri, lektor ved Institut for Cellular and Molecular Medicine og direktøren for Stem Cell-programmet ved University of California, San Diego. Dette er første gang, lab-dyrkede hjerner har dannet intrikate netværk af neuroner, der producerede stærke hjernebølger.
For at gøre dette høstede Muotri og hans team menneskelige stamceller - som kan omformes til enhver celletype med de rigtige instruktioner - afledt af folks hud og blod. Forskerne udsatte disse stamceller for kemiske instruktioner, der ville gøre cellerne til hjerneceller.
For det meste dannede disse celler neurale progenitorceller, hjernespecifikke celler, der kan spredes og give anledning til mange typer hjerneceller. Efter to til fem måneder i en laboratoriefat danner disse stamceller glutamatergiske neuroner, hjerneceller, der er "ophidsende", eller dem, der spreder information.
Efter ca. fire måneder stoppede minihjernerne med at fremstille exciterende neuroner og begyndte at fremstille astrocytter. Disse hjerneceller hjælper med at forme synapser, hullerne mellem hjerneceller, hvor neurotransmittere eller hjernekemikalier videregiver information. Endelig begyndte forfadercellerne at lave inhiberende neuroner, som slukker hjerneaktivitet eller stopper neuroner i at videregive information. Det var da "aktiviteten begynder at blive mere kompliceret, fordi vi nu balancerer ophidselse og hæmning," sagde Muotri.
Mens cellerne delte og differentierede, begyndte de til sidst at "selvorganisere sig til noget, der ligner den menneskelige cortex," sagde Muotri. Cortex er det ydre lag i hjernen, der spiller en vigtig rolle i bevidstheden.
"Mini-hjerner" ligner faktisk ikke miniatyrversioner af menneskelige hjerner. Det er snarere hvide, sfæriske klatter, der flyder i den rødlige suppe, hvor de er vokset, sagde Muotri. De voksede op til kun 0,2 inches (0,5 centimeter) i diameter, men deres neurale netværk fortsatte med at udvikle sig i ni til 10 måneder, før de stoppede, sagde han.
Gennem væksten af mini-hjernerne brugte teamet et sæt små elektroder, der forbinder til neuroner for at måle hjerneaktivitet. Forskerne fandt ud, at neuronerne i mini-hjernerne omkring to måneder begyndte at skyde sporadiske signaler, alle på samme frekvens. Efter et par måneders udvikling affyrede hjernen signaler ved forskellige frekvenser og mere regelmæssigt, hvilket indikerer mere kompleks hjerneaktivitet, sagde Muotri.
Mens tidligere undersøgelser har vist, at mini, lab-producerede hjerner kunne producere hjernecellefyring, rapporterede forskere, at de fyrede omkring sige 3000 gange pr. Minut, sagde Muotri. I denne undersøgelse fyrede neuronerne imidlertid næsten 300.000 gange pr. Minut, hvilket er "tættere på den menneskelige hjerne," sagde han.
Teamet brugte derefter en maskinlæringsalgoritme til at sammenligne hjerneaktiviteten af disse mini-hjerner med den fra for tidlige menneskelige babyer. Forskerne træner deres program til at lære hjernebølgerne registreret fra 39 for tidlige babyer mellem 6 og 9 og en halv måned gamle.
Forskerne fodrede derefter hjernebølgemønstre fra minihjernerne ind i algoritmen og fandt, at det efter 25 uger med minihjerneudvikling ikke længere kunne skelne dataene fra den menneskelige hjerne fra de, der stammer fra den lab-dyrkede hjerne. "Det bliver forvirret og giver dem begge samme alder," hvilket antyder, at minihjerne og de menneskelige hjerner vokste og udviklede sig på lignende måde, sagde Muotri.
Denne undersøgelse viser "meget pænt, at du kan fremstille dette reproducerbare eksperimentelle systemer, hvor du kan adressere processer, der er så grundlæggende for udviklingen af et menneske", sagde Dr. Thomas Hartung, direktøren for Johns Hopkins Center for Alternatives to Animal Testing der også har arbejdet med at udvikle mini-hjerner i laboratoriet, men som ikke var en del af studiet.
"Den utilgængelige embryonale hjerne er en af grundene til, at disse modeller tilbyder noget andet," sagde han. "Men det betyder også, at du har meget begrænsede muligheder for at sige, at det er den rigtige ting." Mens EEG-signalerne ligner signalet fra forudgående babyer, er de lidt slukket i timingen, tilføjede han.
Mens et menneskeligt embryo er forbundet med moren og dermed modtager signaler udefra, er disse lab-dyrkede hjerner ikke forbundet med noget. "Disse celler har intet input eller ingen output, de kan ikke genkende noget, der sker i verden," sagde Hartung. Så de er "bestemt ikke" bevidste.
Det er hvad de fleste forskere er enige om, men "det er svært at sige," sagde Muotri. "Vi neurovidenskabsmænd er ikke engang enige om, hvad er de målinger, man kan gøre for faktisk at undersøge for at se, om de er bevidste eller ikke."
Den menneskelige hjerne sender sine signaler for at hjælpe os med at interagere med vores miljø. For eksempel ser vi på en bug, øjnene sender signaler til hjerneceller, som signalerer til hinanden og fortæller os, at vi ser en bug.
Så hvorfor sender disse lab-dyrkede hjerner signaler? Hvad kunne de muligvis tale om? ”Det er et spørgsmål, vi ikke kender, fordi den embryonale hjerne virkelig er en sort kasse,” sagde Muotri. Det ser ud til, at de fleste af signalerne i disse tidlige stadier involverer instruktioner om at "selvkabel" eller oprette forbindelse til hinanden, sagde han.
Under alle omstændigheder sagde han, at han håber, at undersøgelser som dette vil hjælpe os med at forstå, hvordan tidlige hjernetrådføringer giver anledning til vores komplekse hjerner, og hvad der sker, når denne ledningsføring går galt.
Muotri og hans team sagde, at de nu håber at stimulere hjerneorganoiderne yderligere for at se, om de kan udvikle sig over ni til 10 måneder. Forskerne vil også gerne modellere hjerneforstyrrelser, for eksempel ved at oprette hjerneorganoider med celler, der er taget fra børn med autisme, for at forstå, hvordan deres hjernenetværk udvikler sig.
Resultaterne blev offentliggjort i dag (29. august) i tidsskriftet Cell Stem Cell.
