На що сподіватися?
Церебральний органоид, або міні-мозок, може бути вирощений в лабораторії. Він містить різноманітні типи клітин і внутрішніх структур, які можуть скласти модель мозку, що виявилася життєздатною у багатьох експериментах.
Людський мозок весь час називають найскладнішим об’єктом у Всесвіті. Тому здається малоймовірним, що згустки клітин мозку розміром з горошину, які вирощують в пробірці, можуть бути настільки корисні в нейрофізіології. Тим не менш, багато дослідників беруться вирощувати ці біологічні системи. З органоидами дослідники можуть проводити такі експерименти, які неможливо собі уявити з участю живого мозку.
Існуючі сьогодні церебральні всіх органел далекі від статусу «мозок», навіть якщо це міні-мозок. Але останні публікації свідчать, що церебральний органоид головного мозку ембріона може стати переломом в науці, а майбутнє таких досліджень залежить не стільки від рішення: як створити крихітні ідеальні копії цілого мозку, скільки від того, як саме відтворити окремі частини мозку, що розвивається, які могли б ужитися один з одним. Коли люди навчилися виробляти взаємодоповнювані деталі в масовому виробництві, відбулася промислова революція. Вчені сподіваються, що поліпшення якості органоїдів допоможе прийти до революції у вивченні людського мозку.
Перші перемоги, нові перепони
У 2013 Медлін Ланкастер з Австрійської Академії наук створив перший справжній церебральний органоид. Сталося це, коли вчений виявив: стовбурові клітини ростуть у сприятливому гелевою середовищі, у вигляді дрібних сферичних мас, які організовують роботу тканин мозку. Вивчення проблем міні-мозку процвітає сьогодні в лабораторіях по всьому світу.
Нетерплячі експериментатори б’ються над завданням довести міні-мозок до схожості з реальним, проте на даний момент це занадто далека мета. Його анатомія спотворена, він позбавлений кровоносних судин і деяких шарів тканини, нейрони в міні-мозку є, але немає важливих гліальних клітин , основоположного білої речовини, якого часто не вистачає мозку.
Але найгірше невідповідність органоїдів: вони дуже сильно відрізняються один від одного. За свідченнями Арнольда Крегштейна , директора з розвитку програми клітинної біології в університеті каліфорнії, Сан-Франциско, виготовлення рівномірно розвиваються органоїдів дуже проблематично, навіть коли вчені використовують той же алгоритм створення та однаковий будівельний матеріал. «Це робить експеримент дуже важко контрольованим. А висновки такого експерименту складно обґрунтувати», – говорить Крегштейн.
Дослідники змогли знизити витрати, пов’язані з мінливістю органоїдів на перших стадіях росту. Диференціація нейронів при одночасному їх зростанні мінімальна. Але склад клітин відрізняється від реального мозку, так як в реальних мережах мозку існує функціональний ковдру з різних типів клітин, деякі з яких виникають, в той час як інші мігрують з інших областей мозку.
Наприклад, в корі головного мозку людини – близько 20% клітин займають нейрони – а якщо точніше, интернейроны, які надають гальмівну дію – мігруючі туди з більш глибоких ділянок мозку, наприклад, медіального гангліонарних шару. Простіше кажучи, в корі моделі органоида буде не вистачати цих інтернейронів, а тому вивчення виникнення і розвитку в мозку балансу збудливих і гальмівних сигналів було б марним.
Це зображення 40-денного органоида. Сині точки – ядра клітин, червоні плями – попередники нейронів, зелені плями – диференційовані нейрони
“Всіх їх разом зберемо”
Різні шляхи вирішення цих проблем були запропоновані в останніх дослідженнях нейрофізіологів. Вони вказують на можливість модульного підходу до створення міні-мозку, тобто з органоїдів різних регіонів мозку. При цьому всіх органел зможуть взаємодіяти один з одним, а тому і в подальшому своєму розвитку будуть не так сильно відрізнятися один від одного.
Стаття по темі
Вчені розкрили психологію «полювання» за брендовими фальшивками
Останнього істотного результату вдалося досягти два тижні тому в лабораторії стовбурових клітинах Єльського центру. На першому етапі таких експериментів вчені з Єля використовували людські плюрипотентні стовбурові клітини (деякі з крові, інші – із зародків), щоб створити окремі ділянки органоида кори мозку. Змішані пари кулястих органел дослідники змусили рости пліч-о-пліч. Протягом декількох тижнів, пара органоїдів перегоріла. Але найголовніше, що побачила Йельская команда, – це те, що, як і при правильному розвитку живого мозку, інгібуючі интернейроны з більш глибокого медіального гангліонарних шару головного мозку здатні перекочувати в органоид коркових мас, інтегруватися в нейронні мережі, так само, як у розвиненому мозку ембріона.
Раніше в цьому році команда з Стенфордської університетської школи медицини та Австрійської Академії наук США опублікувала звіти про аналогічних експериментах, в яких були добре розвинені всіх органел коркових і глибинних ділянок мозку, а потім з’єднані разом.
Таким чином, дослідники добилися головного: стало можливим з’єднати стовбурові клітини з вирощеним ними органоидом. В результаті вони виявили, що зрослися всіх органел дали нейронні мережі з цілком реалістичним поєднанням збудливих і гальмівних нейронів, а також допоміжних клітин, і що результати їх досліджень можуть дати більше гарантій у створенні найбільш реалістичного міні-мозку, ніж старі моделі.
Це відео показує, що відбувається, коли два церебральних органоида, що представляють різні області мозку, що об’єднуються.
“Клітини самі знають, як їм краще”
На думку Крегштейна, всі ці останні експерименти чудово ілюструють, що органоїдів клітини можуть легко трансформуватися в зрілі, здорові тканини, якщо створити для них сприятливі умови. «Як тільки ви направите тканини на певну траєкторію розвитку, вони самі зметикувати, як їм добре влаштуватися, мінімально вдаючись до вашої допомоги», – каже директор програми клітинної біології Каліфорнійського університету. Він вважає, що спеціалізовані всіх органел можна вивести на новий рівень експериментального контролю неврологічних досліджень.
«Вчені могли б вивчати всіх органел мозку для отримання інформації про розвиток різних ділянок мозку», а також використовувати інформацію про взаємодію різних клітин мозку, коли вони почнуть мігрувати і стикатися один з одним».
Модульний мозок для клінічної психології: рано чи вже пора?
Стаття по темі
Нова форма життя: розроблені перші в історії напівсинтетичні організми
Инхен Парк , помічник професора генетики, який проводив дослідження в Єльському університеті, сподівається, що всіх органел мозку вже можуть бути корисні в ході попереднього дослідження джерел деяких нервово-психічних захворювань, таких як аутизм і шизофренія. Факти свідчать, що в цих умовах, як каже Парк, «мабуть, існує дисбаланс між збудливими і інгібують нейронами. Так що ці хвороби можуть бути вивчені з допомогою використання сучасних розроблених нами моделей.
Крегстайн, однак, пропонує не поспішати з оголошенням значення органоида для клінічної психології. «Чого нам дійсно не вистачає, так це золотого стандарту в галузі розвитку людського мозку для визначення того, наскільки добре створені нами всіх органел імітують нормальний стан живого мозку», – заявляє він.
Міні-мозок для людини-великий крок для людства
Будь-які подальші дослідження органоїдів в кінцевому підсумку будуть зводитися до пошуку способів зробити їх більш схожими на живий мозок. Він також не відмовився від надії, що одного разу ми зможемо побачити створення повноцінного міні-мозку в лабораторії. Це стало б найбільш наочною демонстрацією того, що відбувається в нашій голові. Можливо, це дозволить вченим проводити більш складний синтез органоїдів різних ділянок мозку або потребує більш складного використання поживних середовищ і хімічних речовин для вирощування органоида людського мозку на стадії ембріона. «Ми повинні апробувати підхід до створення органоида людського мозку з органоїдів переднього, середнього і заднього мозку разом узятих», – підсумовує Парк.
Оригінал статті