Οι επιστήμονες δημιούργησαν μικροσκοπικούς εγκεφάλους στο εργαστήριο που σχημάτισαν περίπλοκα δίκτυα και παρήγαγαν κύματα εγκεφάλου παρόμοια με εκείνα που πυροδοτήθηκαν από τον αναπτυσσόμενο εγκέφαλο ενός πρόωρου ανθρώπινου μωρού, σύμφωνα με νέα μελέτη.
Η ιδέα της ανάπτυξης μικροσκοπικών εγκεφάλων στο εργαστήριο δεν είναι καινούργια. οι ερευνητές το έχουν κάνει εδώ και σχεδόν μια δεκαετία. Αλλά οι περισσότερες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει αυτά τα μίνι μυαλά ή «οργανοειδή» για να μελετήσουν μεγάλης κλίμακας δομή.
Για παράδειγμα, μία ομάδα ανέπτυξε μίνι εγκεφάλους που θα μπορούσαν να αναπτύξουν αιμοφόρα αγγεία, ανέφερε προηγουμένως η Live Science. Μια άλλη ομάδα εξέθεσε μίνι μυαλά στον ιό Zika για να καταλάβει πώς μπορεί να οδηγήσει σε ασυνήθιστα μικρά κεφάλια ή μικροκεφαλία.
Αλλά σε περιπτώσεις όπως ο αυτισμός, η σχιζοφρένεια, η διπολική διαταραχή και ακόμη και η κατάθλιψη, «ο εγκέφαλος είναι άθικτος και το πρόβλημα βασίζεται στις λειτουργίες του δικτύου», δήλωσε ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης Alysson Muotri, αναπληρωτής καθηγητής του Τμήματος Κυτταρικής και Μοριακής Ιατρικής ο διευθυντής του προγράμματος Stem Cell στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας του Σαν Ντιέγκο. Αυτή είναι η πρώτη φορά που οι εγκεφάλοι έχουν δημιουργήσει περίπλοκα δίκτυα νευρώνων που παρήγαγαν ισχυρά εγκεφαλικά κύματα.
Για να γίνει αυτό, ο Muotri και η ομάδα του συγκομίστηκαν ανθρώπινα βλαστοκύτταρα - τα οποία μπορούν να μεταμορφωθούν σε οποιοδήποτε τύπο κυττάρων που δίνεται με τις σωστές οδηγίες - που προέρχονται από το δέρμα και το αίμα των ανθρώπων. Οι ερευνητές εξέθεσαν αυτά τα βλαστοκύτταρα σε χημικές οδηγίες που θα μπορούσαν να μετατρέψουν τα κύτταρα σε εγκεφαλικά κύτταρα.
Ως επί το πλείστον, αυτά τα κύτταρα σχημάτιζαν νευρικά προγονικά κύτταρα, ειδικά για τον εγκέφαλο κύτταρα που μπορούν να πολλαπλασιάζονται και να προκαλούν πολλούς τύπους εγκεφαλικών κυττάρων. Μετά από δύο έως πέντε μήνες σε ένα εργαστηριακό πιάτο, αυτά τα προγονικά κύτταρα σχηματίζουν γλουταμινεργικούς νευρώνες, εγκεφαλικά κύτταρα που είναι «διεγερτικά» ή αυτά που διαδίδουν πληροφορίες.
Μετά από περίπου τέσσερις μήνες, οι μίνι εγκέφαλοι σταμάτησαν να δημιουργούν διεγερτικούς νευρώνες και άρχισαν να παράγουν αστροκύτταρα. Αυτά τα εγκεφαλικά κύτταρα βοηθούν στη διαμόρφωση των συνάψεων, τα κενά μεταξύ των εγκεφαλικών κυττάρων όπου οι νευροδιαβιβαστές ή οι χημικές ουσίες του εγκεφάλου περνούν πληροφορίες. Τέλος, τα προγονικά κύτταρα άρχισαν να παράγουν ανασταλτικούς νευρώνες, οι οποίοι καταστέλλουν την εγκεφαλική δραστηριότητα ή εμποδίζουν τους νευρώνες να περάσουν πληροφορίες. Αυτό συμβαίνει όταν η δραστηριότητα αρχίζει να γίνεται πιο περίπλοκη, διότι τώρα εξισορροπούμε τη διέγερση και την αναστολή, είπε ο Muotri.
Ενώ τα κύτταρα διαίρεσαν και διαφοροποιούσαν, τελικά άρχισαν να «αυτο-οργανώνονται σε κάτι που μοιάζει με τον ανθρώπινο φλοιό», είπε ο Muotri. Ο φλοιός είναι το εξωτερικό στρώμα του εγκεφάλου, το οποίο παίζει σημαντικό ρόλο στη συνείδηση.
Οι "μίνι εγκέφαλοι" δεν μοιάζουν, μάλιστα, με μικρογραφικές εκδοχές του ανθρώπινου εγκεφάλου. Αντίθετα, είναι λευκά, σφαιρικά σταγόνες που επιπλέουν στην κοκκινωπό σούπα στην οποία καλλιεργούνται, είπε ο Muotri. Έφτασαν μόνο 0,2 ίντσες (0,5 εκατοστά) σε διάμετρο, αλλά τα νευρικά τους δίκτυα συνέχιζαν να εξελίσσονται για εννέα με 10 μήνες πριν σταματήσουν, είπε.
Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης των μίνι εγκεφάλων, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα σύνολο μικροσκοπικών ηλεκτροδίων που συνδέονται με νευρώνες για τη μέτρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι σε περίπου δύο μήνες, οι νευρώνες στους μίνι εγκέφαλους άρχισαν να πυροδοτούν σποραδικά σήματα, όλα με την ίδια συχνότητα. Μετά από μερικούς μήνες ανάπτυξης, οι εγκέφαλοι πυροδότησαν σήματα με διαφορετικές συχνότητες και πιο τακτικά, δείχνοντας πιο περίπλοκη εγκεφαλική δραστηριότητα, δήλωσε ο Muotri.
Ενώ προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι οι μίνι, εγκεφάλου που παράγεται από τον εγκέφαλο θα μπορούσαν να προκαλέσουν πυροδότηση κυττάρων εγκεφάλου, οι ερευνητές τους ανέφεραν ότι πυροδοτούν περίπου 3.000 φορές ανά λεπτό, δήλωσε ο Muotri. Σε αυτή τη μελέτη, ωστόσο, οι νευρώνες έριξαν σχεδόν 300.000 φορές ανά λεπτό, που είναι "πιο κοντά στον ανθρώπινο εγκέφαλο", είπε.
Στη συνέχεια, η ομάδα χρησιμοποίησε έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης για να συγκρίνει την εγκεφαλική δραστηριότητα αυτών των μίνι εγκεφάλων με αυτή των πρόωρων ανθρώπινων μωρών. Οι ερευνητές εκπαιδεύτηκαν το πρόγραμμά τους για να μάθουν τα κύματα του εγκεφάλου που καταγράφηκαν από 39 πρόωρα βρέφη ηλικίας 6 και 9 μηνών και μισών.
Οι επιστήμονες τροφοδοτούσαν έπειτα τα μοτίβα εγκεφαλικών κυμάτων από τους μίνι εγκέφαλους στον αλγόριθμο και διαπίστωσαν ότι μετά από 25 εβδομάδες ανάπτυξης μίνι εγκεφάλου, δεν μπορούσαν πλέον να διακρίνουν τα δεδομένα που προέρχονται από τον ανθρώπινο εγκέφαλο από αυτά που προέρχονται από τον εργαστηριακά αναπτυσσόμενο εγκέφαλο. «Μπερδεύεται και δίνει την ίδια ηλικία και στους δυο τους», που υποδηλώνει ότι οι μίνι εγκέφαλοι και ο ανθρώπινος εγκέφαλος αυξάνονταν και αναπτύσσονταν παρόμοια, είπε ο Muotri.
Αυτή η μελέτη δείχνει "πολύ ωραία ότι μπορείτε να κάνετε αυτά τα αναπαραγωγικά πειραματικά συστήματα όπου μπορείτε να απευθυνθείτε σε διαδικασίες που είναι τόσο θεμελιώδεις για την ανάπτυξη ενός ανθρώπινου όντος", δήλωσε ο Δρ. Thomas Hartung, διευθυντής του Κέντρου για εναλλακτικές λύσεις για τη δοκιμή σε ζώα Johns Hopkins ο οποίος εργάστηκε επίσης για την ανάπτυξη μίνι-εγκεφάλων στο εργαστήριο αλλά δεν ήταν μέρος της μελέτης.
Το "απροσπέλαστο του εμβρυϊκού εγκεφάλου είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους αυτά τα μοντέλα προσφέρουν κάτι διαφορετικό", ανέφερε. "Αλλά σημαίνει επίσης ότι έχετε πολύ περιορισμένες ευκαιρίες να πείτε το πραγματικό πράγμα". Ενώ τα σήματα EEG είναι παρόμοια με εκείνα των μωρών πριν από τη λήξη, είναι ελαφρώς μειωμένα στο χρόνο, πρόσθεσε.
Ενώ ένα ανθρώπινο έμβρυο συνδέεται με τη μητέρα και έτσι λαμβάνει μηνύματα από το εξωτερικό, αυτοί οι εγκεφάλοι που καλλιεργούνται δεν είναι συνδεδεμένοι με τίποτα. "Αυτά τα κύτταρα δεν έχουν εισροή ή παραγωγή, δεν μπορούν να αναγνωρίσουν τίποτα που συμβαίνει στον κόσμο", δήλωσε ο Hartung. Έτσι είναι "σίγουρα όχι" συνείδηση.
Αυτό είναι που οι περισσότεροι επιστήμονες θα συμφωνήσουν, αλλά «είναι δύσκολο να πούμε», είπε ο Muotri. «Εμείς οι νευροεπιστήμονες δεν συμφωνούμε ούτε καν ποιες είναι οι μετρήσεις που μπορεί κανείς να κάνει για να διερευνήσει πραγματικά αν είναι συνειδητοί ή όχι».
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος στέλνει τα σήματα του για να μας βοηθήσει να αλληλεπιδράσουμε με το περιβάλλον μας. Παραδείγματος χάριν, εξετάζουμε ένα σφάλμα, τα μάτια στέλνουν σήματα στα κύτταρα του εγκεφάλου, τα οποία σηματοδοτούν το ένα το άλλο και μας ενημερώνουν ότι βλέπουμε ένα σφάλμα.
Γιατί λοιπόν αυτοί οι εγκέφαλοι που καλλιεργούνται στο εργαστήριο στέλνουν σήματα; Τι θα μπορούσαν ενδεχομένως να μιλάνε; "Αυτή είναι μια ερώτηση που δεν γνωρίζουμε, επειδή ο εμβρυϊκός εγκέφαλος είναι πραγματικά ένα μαύρο κουτί", δήλωσε ο Muotri. Φαίνεται ότι τα περισσότερα από τα σήματα σε αυτά τα πρώιμα στάδια περιλαμβάνουν οδηγίες για "αυτοσύρματη", ή να συνδεθούν μεταξύ τους, είπε.
Εν πάση περιπτώσει, είπε ότι ελπίζει ότι τέτοιες μελέτες θα μας βοηθήσουν να καταλάβουμε πόσο νωρίς η καλωδίωση του εγκεφάλου μας δημιουργεί το περίπλοκο μυαλό μας και τι συμβαίνει όταν η καλωδίωση αυτή δεν είναι σωστή.
Ο Muotri και η ομάδα του δήλωσαν ότι τώρα ελπίζουν να τονώσουν τα οργανοειδή του εγκεφάλου για να δουν αν μπορούν να αναπτυχθούν πέρα από εννέα έως δέκα μήνες. Οι ερευνητές θα ήθελαν επίσης να διαμορφώσουν εγκεφαλικές διαταραχές, για παράδειγμα με τη δημιουργία εγκεφαλικών οργανοειδών με κύτταρα που λαμβάνονται από παιδιά με αυτισμό, για να κατανοήσουν πώς αναπτύσσονται τα δίκτυα του εγκεφάλου τους.
Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν σήμερα (29 Αυγούστου) στο περιοδικό Cell Stem Cell.
