Forskere skapte miniatyrhjerner i laboratoriet som dannet intrikate nettverk og produserte hjernebølger som ligner de som ble avfyrt av den utviklende hjernen til en for tidlig menneskelig baby, ifølge en ny studie.
Ideen om å dyrke miniatyrhjerner i laboratoriet er ikke ny; forskere har gjort det i nesten et tiår. Men de fleste studier har brukt disse minihjerne eller "organoider" for å studere storstilt struktur.
For eksempel utviklet en gruppe mini-hjerner som kunne vokse blodkar, rapporterte Live Science tidligere. En annen gruppe utsatte minihjerner for Zika-viruset for å forstå hvordan det kan føre til unormalt små hoder, eller mikrocefali.
Men under tilstander som autisme, schizofreni, bipolar lidelse og til og med depresjon, "hjernen er intakt og problemet er avhengig av driften av nettverket," sa seniorforfatter Alysson Muotri, førsteamanuensis ved Institutt for cellulær og molekylær medisin og direktøren for Stem Cell-programmet ved University of California, San Diego. Dette er første gang lab-dyrkede hjerner har dannet intrikate nettverk av nevroner som produserte sterke hjernebølger.
For å gjøre dette høstet Muotri og teamet av menneskelige stamceller - som kan omformes til hvilken som helst celletype gitt de rette instruksjonene - avledet fra folks hud og blod. Forskerne utsatte disse stamcellene for kjemiske instruksjoner som ville gjøre cellene om til hjerneceller.
For det meste dannet disse cellene nevrale stamfaderceller, hjernespesifikke celler som kan spre seg og gi opphav til mange typer hjerneceller. Etter to til fem måneder i en laboratoriedisk, danner disse stamceller glutamatergiske nevroner, hjerneceller som er "eksiterende", eller de som formidler informasjon.
Etter omtrent fire måneder sluttet minihjerne å lage eksitatoriske nevroner og begynte å lage astrocytter. Disse hjernecellene er med på å forme synapser, hullene mellom hjerneceller der nevrotransmittere, eller hjernekjemikalier, gir informasjon. Til slutt begynte stamfadecellene å lage hemmende nevroner, som slukker hjerneaktiviteten, eller stopper neuroner fra å formidle informasjon. Det var da "aktiviteten begynner å bli mer sammensatt, for nå balanserer vi eksitasjon og hemming," sa Muotri.
Mens cellene delte og skiller seg ut, begynte de etter hvert å "organisere seg selv i noe som ligner den menneskelige cortex," sa Muotri. Barken er det ytre laget av hjernen, som spiller en viktig rolle i bevisstheten.
"Minihjernen" ser faktisk ikke ut som miniatyrversjoner av menneskelige hjerner. Snarere er de hvite, sfæriske klatter som flyter i den rødlige suppen der de er vokst, sa Muotri. De vokste opp til bare 0,2 inches (0,5 centimeter) i diameter, men deres nevrale nettverk fortsatte å utvikle seg i ni til ti måneder før de stoppet, sa han.
Gjennom veksten av minihjerne brukte teamet et sett med bittesmå elektroder som kobles til nevroner for å måle hjerneaktivitet. Forskerne fant at rundt to måneder begynte nevronene i minihjernen å skyte sporadiske signaler, alle med samme frekvens. Etter et par måneders utvikling avfyrte hjernen signaler med forskjellige frekvenser og mer regelmessig, noe som indikerer mer kompleks hjerneaktivitet, sa Muotri.
Mens tidligere studier har vist at mini, lab-produserte hjerner kan produsere hjernecellefyring, rapporterte forskere at de skyter rundt 3000 ganger per minutt, sa Muotri. I denne studien skjøt imidlertid nevronene nær 300 000 ganger per minutt, noe som er "nærmere menneskets hjerne," sa han.
Teamet brukte deretter en maskinlæringsalgoritme for å sammenligne hjerneaktiviteten til disse minihjerneene med den for tidlige menneskelige babyer. Forskerne trente opp programmet for å lære hjernebølgene registrert fra 39 premature babyer mellom 6 og 9 og en halv måned gamle.
Forskerne matet deretter hjernebølgemønstrene fra minihjernen inn i algoritmen og fant ut at etter 25 uker med mini hjerneutvikling, kunne den ikke lenger skille dataene fra den menneskelige hjernen fra den som stammer fra den lab-dyrkede hjernen. "Det blir forvirret og gir samme alder til begge," som antyder at minihjerne og menneskets hjerne vokste og utviklet seg på samme måte, sa Muotri.
Denne studien viser "veldig pent at du kan lage disse reproduserbare eksperimentelle systemene der du kan adressere prosesser som er så grunnleggende for utviklingen av et menneske", sa Dr. Thomas Hartung, direktør for Johns Hopkins Center for Alternatives to Animal Testing som også har jobbet med å utvikle mini-hjerner i laboratoriet, men som ikke var en del av studien.
"Utilgjengeligheten av den embryonale hjernen er en av grunnene til at disse modellene tilbyr noe annet," sa han. "Men det betyr også at du har veldig begrensede muligheter til å si at det er den virkelige tingen." Mens EEG-signalene ligner på pre-babyer, er de litt av i timingen, la han til.
Mens et menneskelig embryo er koblet til moren og dermed mottar signaler utenfra, er disse lab-dyrkede hjerneene ikke koblet til noe. "Disse cellene har ingen innspill eller ingen utgang, de kan ikke gjenkjenne noe som skjer i verden," sa Hartung. Så de er "definitivt ikke" bevisste.
Det er det de fleste forskere vil være enige om, men "det er vanskelig å si," sa Muotri. "Vi nevrovitere er ikke engang enige om hvilke målinger man kan gjøre for å faktisk undersøke for å se om de er bevisste eller ikke."
Den menneskelige hjernen sender sine signaler for å hjelpe oss med å samhandle med miljøet vårt. For eksempel ser vi på en feil, øynene sender signaler til hjerneceller, som signaliserer til hverandre og gir oss beskjed om at vi ser en feil.
Så hvorfor sender disse laboratorievoksne hjerner signaler? Hva kan de muligens snakke om? "Det er et spørsmål vi ikke kjenner, fordi den embryonale hjernen virkelig er en svart boks," sa Muotri. Det ser ut til at de fleste signalene i disse tidlige stadiene involverer instruksjoner om å "selvkoble" eller koble til hverandre, sa han.
I alle fall sa han at han håper studier som dette vil hjelpe oss å forstå hvor tidlig hjernekabling gir opphav til våre komplekse hjerner, og hva som skjer når kablingen går galt.
Muotri og teamet hans sa at de nå håper å stimulere hjerneorganoidene videre for å se om de kan utvikle seg i løpet av ni til ti måneder. Forskerne ønsker også å modellere hjerneforstyrrelser, for eksempel ved å lage hjerneorganoider med celler hentet fra barn med autisme, for å forstå hvordan hjernenettverkene deres utvikler seg.
Funnene ble publisert i dag (29. august) i tidsskriftet Cell Stem Cell.
