Уже несколько лет учёные выращивают в лабораторных условиях миниатюрные модели человеческого мозга, или трёхмерные церебральные органоиды.
По клеточной структуре эти модели похожи на "исходники". Их создают, помещая плюрипотентные стволовые клетки человека в культуру, имитирующую среду, в которой развивает мозг эмбриона. Стволовые клетки начинают преобразовываться различные типы клеток головного мозга и выстраиваются в правильную трёхмерную структуру. Конечный результат – примитивная модель мозга размером с горошину.
Подобные органоиды помогают изучать этапы роста и развития мозга человека и молекулярные механизмы, связанные с возникновением различных заболеваний, а также тестировать новые методы лечения.
Конечно, эти "зародыши" не являются точными копиями мозга, поскольку ни о каких когнитивных функциях речи не идёт. Однако благодаря тестам с мини-копиями специалисты могут узнать, как физическая структура органоида или экспрессия генов изменяются с течением времени или в результате действия того или иного вируса либо лекарства.
Возможности таких исследований могут расшириться благодаря прорыву, которого добились учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Выращенный ими мини-мозг является самым продвинутым на сегодняшний день: он проявляет нейронную активность, которая идентична активности мозга недоношенных детей.
Достичь такого результата помогли некоторые нововведения. Во-первых, авторы работы усовершенствовали процедуру выращивания стволовых клеток: формирование органоидов начиналось с отдельных клеток, а не их кластеров, как в большинстве предыдущих работ. Во-вторых, учёные оптимизировали состав питательной среды, "подкормив" органоиды специальными факторами роста.
Каждый искусственный мозг из новой "партии" развивался в течение десяти месяцев и достиг в диаметре половины сантиметра. При этом "зародыши" сформировали нейронные сети и синапсы.
Для контроля электрических сигналов, генерируемых нейронами, использовались крошечные электроды. Фиксируемые импульсы выводились на электроэнцефалограмму в виде волн и всплесков.
По словам авторов работы, уже после двух месяцев развития органоидов они заметили всплески волновой активности. По мере развития моделей мозговые волны стали более ритмичными и возникали на разных частотах. "Уровень производства" возрос от трёх тысяч пиков в минуту до трёхсот тысяч. Это говорит о том, что отдельные клетки мозга начали связываться друг с другом и формировать сети.
Примечательно, что зафиксированные мозговые волны оказались похожими на паттерны нейронной активности, наблюдаемые в мозге недоношенных детей.
Чтобы проверить, насколько велико это сходство, команда разработала алгоритм машинного обучения для прогнозирования возраста мозга на основе данных электроэнцефалографии.
Алгоритм тренировали на наборе данных из 567 записей ЭЭГ. Они были получены при мониторинге мозговой активности 39 детей, родившихся на сроках от 34 до 38 недель беременности. Сбор данных проводился в течение нескольких недель после рождения младенцев.
Затем алгоритм считал данные ЭЭГ лабораторных моделей мозга и определил их возраст.
Выяснилось, что нейронная активность органоидов девятимесячного возраста схожа с активностью тех недоношенных детей, которые впоследствии достигли нормального уровня развития. Схема электрических импульсов в обоих случаях была очень похожей и характерной для младенцев: между пиками электрической активности наблюдались периоды отдыха (без волн).
Таким образом, специалисты стали на шаг ближе к созданию максимально точных копий человеческого мозга. Но в дальнейшем на этом нелёгком пути они неизбежно столкнутся с этическими проблемами.
Если органоиды развились до уровня мозга недоношенного ребёнка, то лишь вопрос времени, когда выращенный в лаборатории мозг сумеет преодолеть и другие стадии развития. Какой же статус будет иметь это "детище" и правомерно ли будет проводить на нём эксперименты?
"По мере того, как мы приближаемся к созданию [более точной копии] человеческого мозга, появляется всё больше этических проблем. Если мы обнаружим, что у этих органоидов есть какое-то сознание, самосознание, или они чувствуют боль, им, вероятно, понадобится "моральный статус". Это означает, что [будущие] исследования должны быть более регламентированы, к примеру, как это происходит при работе с животными моделями", – поясняет старший автор научной статьи Алиссон Муотри (Alysson Muotri).
Впрочем, маловероятно, что на данном этапе органоиды обладают какой-либо из способностей высшего порядка. В этих моделях нет полушарий и кровеносных сосудов, отсутствуют некоторые жизненно важные участки, а также они не могут воспринимать сенсорную информацию от органов зрения и слуха. Эти органоиды могут существовать в лабораторных условиях годами, но их развитие достигает пика на стадии девяти месяцев.
Тем не менее ключевой вывод этой прорывной работы заключается в том, что лабораторные модели мозга могут формировать сложные связи, присутствующие в реальном мозге.
"Ранее мы предполагали, что человеческий мозг нуждается в некоторой помощи от других органов и матки матери, чтобы развиваться", – отмечает Муотри.
Прорыв его команды, описанный на страницах журнала Cell Stem Cell, открывает новые возможности для исследований. К примеру, более реалистичные модели пригодятся для изучения природы заболеваний, которые связаны не с явными физиологическими изменениями, а с нарушениями активности в клеточных структурах мозга. Для изучения многих заболеваний, вроде эпилепсии или аутизма, пока нет лабораторных или животных моделей.
Кстати, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о "продвинутом" мини-мозге, выращенном из частичек мозга лабораторной мыши, и о том, как учёные пересадили органоиды человеческого мозга под череп грызунов и что из этого получилось.
