Uue uuringu kohaselt lõid teadlased laborisse miniatuursed ajud, mis moodustasid keerukaid võrke ja tekitasid ajulaineid, mis on sarnased enneaegse inimese sündinud beebi arenevate ajudega.
Idee miniatuursete ajude kasvatamiseks laboris pole uus; teadlased on seda teinud juba kümmekond aastat. Kuid enamikus uuringutes on neid miniajusid või "organoide" kasutatud suuremahulise struktuuri uurimiseks.
Näiteks töötas üks rühm välja miniajusid, mis võiksid veresooni kasvatada, vahendas Live Science varem. Teine rühm paljastas Zika viiruse miniajud, et mõista, kuidas see võib põhjustada ebanormaalselt väikeseid päid või mikrotsefaalia.
Kuid sellistes tingimustes nagu autism, skisofreenia, bipolaarne häire ja isegi depressioon "on aju puutumatu ja probleem sõltub võrgu toimingutest", ütles uuringu vanem autor Alysson Muotri, raku- ja molekulaarmeditsiini osakonna dotsent ja Californias San Diegos asuva tüvirakkude programmi direktor. See on esimene kord, kui laboris kasvanud ajud on moodustanud keerulisi neuronite võrgustikke, mis tekitasid tugevaid ajulaineid.
Selleks korjasid Muotri ja tema meeskond inimeste nahast ja verest inimese tüvirakud - mis võivad õigete juhiste järgi mürkida igaks rakutüübiks -. Teadlased paljastasid need tüvirakud keemiliste juhistega, mis muudaksid rakud ajurakkudeks.
Enamasti moodustasid need rakud neuraalseid eellasrakke, ajuspetsiifilisi rakke, mis võivad vohada ja tekitada mitut tüüpi ajurakke. Pärast kaks kuni viis kuud laborianalüüs moodustavad need eellasrakud glutamatergilisi neuroneid, "ergastavaid" ajurakke või neid, mis levitavad teavet.
Umbes nelja kuu pärast lakkasid miniajud ergastavate neuronite tegemisest ja hakkasid moodustama astrotsüüte. Need ajurakud aitavad kujundada sünapsisid - ajurakkude vahelisi lünki, kus neurotransmitterid ehk aju kemikaalid edastavad teavet. Lõpuks hakkasid eellasrakud tegema inhibeerivaid neuroneid, mis summutavad aju aktiivsust või peatavad neuronite teabe edastamise. Siis "tegevus muutub keerukamaks, sest nüüd tasakaalustame erutust ja pärssimist," sõnas Muotri.
Sel ajal kui rakud jagunesid ja diferentseerusid, hakkasid nad lõpuks "ise organiseeruma millekski, mis sarnaneb inimese ajukoorega", ütles Muotri. Ajukoored on aju välimine kiht, millel on teadvuses oluline roll.
"Miniajud" ei näe tegelikult välja nagu inimese ajude miniatuursed versioonid. Pigem on need valged sfäärilised plekid, mis hõljuvad punakasse suppi, milles neid kasvatatakse, ütles Muotri. Nad kasvasid läbimõõduga vaid 0,2 tolli (0,5 sentimeetrit), kuid nende närvivõrgud arenesid enne peatumist veel üheksa kuni kümme kuud, ütles ta.
Kogu miniaju kasvu vältel kasutas meeskond aju aktiivsuse mõõtmiseks komplekti pisikesi elektroode, mis ühenduvad neuronitega. Teadlased leidsid, et umbes kahe kuu pärast hakkasid miniaju neuronid eraldama sporaadilisi signaale, kõik samal sagedusel. Pärast veel paar kuud arendustööd lasid ajud signaale erinevatel sagedustel ja regulaarsemalt, mis näitab aju keerukamat aktiivsust, ütles Muotri.
Kui varasemad uuringud on näidanud, et minilaborites toodetud ajud võivad põhjustada ajurakkude tulistamist, teatasid teadlased, et neid tulistatakse umbes 3000 korda minutis, ütles Muotri. Selles uuringus tulistasid neuronid aga ligi 300 000 korda minutis, mis on "inimese ajule lähemal".
Seejärel kasutas meeskond masinõppe algoritmi, et võrrelda nende miniaju ajutegevust enneaegsete inimeste beebidega. Teadlased koolitasid oma programmi, et õppida ajulaineid, mis registreeriti 39 enneaegse imiku vahel vanuses 6 kuni 9 ja pool kuud.
Seejärel sisestasid teadlased miniajudest saadud ajulainete mustrid algoritmi ja leidsid, et pärast 25-aastast mini-aju arendamist ei suuda see enam eristada inimese ajust pärinevaid andmeid laboris kasvatatud aju andmetest. "See läheb segadusse ja annab neile mõlemale sama vanuse," mis viitab sellele, et mini- ja inimese ajud kasvasid ja arenesid sarnaselt, ütles Muotri.
See uuring näitab "väga kenasti, et saate teha selle reprodutseeritava katsesüsteemi, kus saate käsitleda protsesse, mis on inimese arengu jaoks nii olulised", "ütles dr Thomas Hartung, Johns Hopkinsi loomkatsete alternatiivide keskuse direktor. kes on laboris töötanud ka miniaju arendamisel, kuid kes ei olnud uuringu osa.
"Embrüonaalse aju ligipääsmatus on üks põhjusi, miks need mudelid pakuvad midagi teistsugust," sõnas ta. "Kuid see tähendab ka seda, et teil on väga piiratud võimalused öelda see päris välja." Ta lisas, et kuigi EEG-signaalid on sarnased enneaegsete beebide signaalidega, on nende ajastamine pisut väljas.
Kui inimese embrüo on ühendatud emaga ja võtab seega signaale väljastpoolt, pole need laboris kasvanud ajud millegagi seotud. "Neil rakkudel pole sisendit ega väljundit. Nad ei suuda maailmas toimuvat ära tunda," ütles Hartung. Nii et nad pole "kindlasti mitte" teadlikud.
Sellega nõustus enamik teadlasi, kuid "seda on raske öelda", ütles Muotri. "Meie, neuroteadlased, pole isegi nõus, mis on need mõõtmised, mida saab teha, et tegelikult proovile panna, kas nad on teadvusel või mitte."
Inimese aju saadab oma signaale, et aidata meil oma keskkonnaga suhelda. Näiteks vaatame viga, silmad saadavad ajurakkudele signaale, mis annavad üksteisele märku ja annavad teada, et näeme viga.
Miks saadavad need laboris kasvanud ajud signaale? Millest nad võiksid rääkida? "See on küsimus, mida me ei tea, sest embrüonaalne aju on tõesti must kast," sõnas Muotri. Näib, et enamik signaale nendes varastes staadiumides hõlmab juhiseid "isejuhtimiseks" või üksteisega ühenduse loomiseks, ütles ta.
Igal juhul ütles ta, et loodab, et sellised uuringud aitavad meil mõista, kuidas aju varajane juhtmestik põhjustab meie keerulisi ajusid ja mis juhtub, kui see juhtmestik läheb valesti.
Muotri ja tema meeskond ütlesid, et nad loodavad nüüd aju organoide veelgi stimuleerida, et näha, kas need võivad areneda kauem kui üheksa kuni kümme kuud. Teadlased sooviksid modelleerida ka ajuhäireid, näiteks luues aju organoidid autismiga lastelt võetud rakkudega, et mõista, kuidas nende ajuvõrgud arenevad.
Tulemused avaldati täna (29. augustil) ajakirjas Cell Stem Cell.
