Uuden tutkimuksen mukaan tutkijat loivat laboratoriossa miniatyyri-aivot, jotka muodostivat monimutkaisia verkostoja ja tuottivat samanlaisia aivoaaltoja kuin ne, jotka syntyvät ennenaikaisen ihmisen vauvan kehittyvissä aivoissa.
Ajatus miniatyyri-aivojen kasvattamisesta laboratoriossa ei ole uusi; tutkijat ovat tehneet niin lähes vuosikymmenen ajan. Mutta useimmissa tutkimuksissa on käytetty näitä mini-aivoja tai "organoideja" suurten rakenteiden tutkimiseen.
Esimerkiksi yksi ryhmä kehitti mini-aivoja, jotka voisivat kasvattaa verisuonia, Live Science aiemmin kertoi. Toinen ryhmä paljasti mini-aivot Zika-virukselle ymmärtääkseen, kuinka se voi johtaa epänormaalisti pieniin päihin tai mikrosefaliaan.
Mutta sellaisissa tiloissa kuin autismi, skitsofrenia, bipolaarinen häiriö ja jopa masennus "aivot ovat ehjät ja ongelma riippuu verkon toiminnoista", sanoi tutkimuksen vanhempi kirjailija Alysson Muotri, apulaisprofessori solu- ja molekyylilääketieteen laitokselta ja Kalifornian yliopiston San Diegon kantasolu-ohjelman johtaja. Tämä on ensimmäinen kerta, kun laboratoriossa kasvanut aivot ovat muodostaneet monimutkaisia neuronien verkostoja, jotka tuottivat voimakkaita aivojen aaltoja.
Tätä varten Muotri ja hänen tiiminsä keräsivät ihmisen kudosta ja verestä ihmisen kantasolut - jotka voivat siirtyä mihin tahansa solutyyppiin oikeiden ohjeiden mukaisesti -. Tutkijat paljastivat nämä kantasolut kemiallisille ohjeille, jotka muuttaisivat solut aivosoluiksi.
Suurimmaksi osaksi nämä solut muodostivat neuraalisia esisoluja, aivospesifisiä soluja, jotka voivat lisääntyä ja saada aikaan monentyyppisiä aivosoluja. Kahden tai viiden kuukauden kuluttua laboratoriossa nämä progenitorisolut muodostavat glutamatergisia hermosoluja, "herättäviä" aivosoluja tai niitä, jotka levittävät tietoa.
Noin neljän kuukauden kuluttua mini-aivot lopettivat herättävien neuronien tekemisen ja alkoivat tehdä astrosyyttejä. Nämä aivosolut auttavat muotoilemaan synapsia, aivosolujen välisiä aukkoja, joissa välittäjät tai aivokemikaalit välittävät tietoa. Lopulta esiastesolut alkoivat tehdä estäviä neuroneja, jotka sammuttavat aivojen toiminnan tai estävät neuroneja siirtämästä tietoa. Silloin "toiminta alkaa muuttua monimutkaisemmaksi, koska nyt tasapainotamme viritystä ja estämistä", Muotri sanoi.
Samalla kun solut jakautuivat ja erottuivat, ne lopulta alkoivat "itsejärjestellä jotain, joka muistuttaa ihmisen aivokuorta", Muotri sanoi. Kuori on aivojen ulkokerros, jolla on tärkeä rooli tietoisuudessa.
"Mini-aivot" eivät oikeastaan näytä ihmisen aivojen pienoisversioilta. Pikemminkin ne ovat valkoisia, pallomaisia tappoja, jotka kelluvat punertavassa keitossa, jossa he ovat kasvaneet, Muotri sanoi. He kasvoivat halkaisijaltaan vain 0,5 senttimetriä (0,5 tuumaa), mutta niiden hermoverkot kehittyivät edelleen yhdeksän - 10 kuukautta ennen pysähtymistä, hän sanoi.
Mini-aivojen kasvun aikana joukkue käytti sarjaa pieniä elektrodeja, jotka yhdistyivät neuroneihin mittaamaan aivojen toimintaa. Tutkijat havaitsivat, että noin kahden kuukauden aikana miniaivojen neuronit alkoivat ampua satunnaisia signaaleja, kaikki samalla taajuudella. Muutaman kuukauden kehitystyön jälkeen aivot laukaisivat signaaleja eri taajuuksilla ja säännöllisemmin, mikä osoittaa monimutkaisemman aivojen toiminnan, Muotri sanoi.
Vaikka aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että minilaborilla tuotetut aivot voisivat tuottaa aivosolujen ampumista, tutkijat kertoivat niiden ampuvan noin 3000 kertaa minuutissa, Muotri sanoi. Tässä tutkimuksessa hermosolut ampuivat kuitenkin lähes 300 000 kertaa minuutissa, mikä on "lähempänä ihmisen aivoja", hän sanoi.
Ryhmä käytti sitten koneoppimisalgoritmia vertailla näiden miniaivojen aivotoimintaa ennenaikaisten ihmisten vauvoihin. Tutkijat kouluttivat ohjelmansa oppimaan aivoaallot, jotka oli tallennettu 39 ennenaikaiselle vauvalle, joiden ikä oli 6–9 ja puoli kuukautta.
Sitten tutkijat syötivät aivojen aaltokuviot miniaivoista algoritmiin ja totesivat, että 25 viikon mini-aivokehityksen jälkeen se ei enää pystynyt erottamaan ihmisen aivoista peräisin olevia tietoja laboratoriossa kasvatetuista aivoista tulevista tiedoista. "Se sekoittuu ja antaa molemmille saman ikän", mikä viittaa siihen, että mini- ja ihmisen aivot kasvoivat ja kehittyivät samalla tavalla, Muotri sanoi.
Tämä tutkimus osoittaa "erittäin hienosti, että voit tehdä tämän toistettavan kokeellisen järjestelmän, jossa voit käsitellä prosesseja, jotka ovat niin perustavanlaatuisia ihmisen kehitykselle", kertoi tri Thomas Hartung, Johns Hopkinsin eläintestausvaihtoehtojen keskuksen johtaja. joka on myös kehittänyt miniaivojen kehittämistä laboratoriossa, mutta joka ei ollut osa tutkimusta.
"Alkion aivojen saavuttamattomuus on yksi syy siihen, miksi nämä mallit tarjoavat jotain erilaista", hän sanoi. "Mutta se tarkoittaa myös, että sinulla on hyvin rajalliset mahdollisuudet sanoa sen todellinen asia." Vaikka EEG-signaalit ovat samanlaisia kuin ennenaikaisilla vauvoilla, niiden ajoitus on hiukan pois, hän lisäsi.
Vaikka ihmisalkio on kytketty äidiin ja vastaanottaa siten signaaleja ulkopuolelta, nämä laboratoriossa kasvanut aivot eivät ole yhteydessä mihinkään. "Näillä soluilla ei ole tuloa tai ulostuloa. He eivät tunnista mitään maailmassa tapahtuvaa", Hartung sanoi. Joten he eivät "ehdottomasti ole" tietoisia.
Siinä useimmat tutkijat olivat yhtä mieltä, mutta "on vaikea sanoa", Muotri sanoi. "Me, neurotieteilijät, emme edes ole yhtä mieltä siitä, mitkä ovat mittaukset, jotka voidaan tehdä tutkiakseen tosiasiallisesti vai eivät."
Ihmisen aivot lähettävät signaalinsa auttaaksemme meitä vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. Esimerkiksi, tarkastelemme virhettä, silmät lähettävät signaaleja aivosoluihin, jotka signaalit toisilleen ja kertovat meille, että näemme virheen.
Joten miksi nämä laboratoriossa kasvanut aivot lähettävät signaaleja? Mistä he voisivat puhua? "Se on kysymys, jota emme tiedä, koska alkion aivot ovat todella musta laatikko", Muotri sanoi. Vaikuttaa siltä, että suurin osa näiden varhaisten vaiheiden signaaleista sisältää ohjeet "itsejohdottaa" tai muodostaa yhteys toisiinsa, hän sanoi.
Joka tapauksessa hän sanoi, että hän toivoo, että tämänkaltaiset tutkimukset auttavat meitä ymmärtämään, kuinka aikainen aivojen johdotus aiheuttaa monimutkaisille aivoillemme ja mitä tapahtuu, kun johdotus menee pieleen.
Muotri ja hänen tiiminsä sanoivat toivovansa nyt stimuloivan aivojen organoideja edelleen nähdäkseen, voivatko ne kehittyä yhdeksän - 10 kuukauden ajan. Tutkijat haluaisivat myös mallintaa aivosairauksia, esimerkiksi luomalla aivojen organoideja soluilla, jotka on otettu autismista lapsista, ymmärtääksesi, kuinka heidän aivoverkonsa kehittyvät.
Tulokset julkaistiin tänään (29. elokuuta) Cell Stem Cell -lehdessä.
