Исследователи из Стэнфордского университета пересадили человеческие нейроны в мозг крыс. Они проследили, как происходит их созревание в гибридизированные мозговые цепи, а затем использовали их для воздействия на поведение грызунов. Новая работа знаменует собой огромный скачок в развитии нейронауки и может привести к тому, что мозг крыс станет живой лабораторией для изучения когнитивных расстройств.

Прорыв в области биологической инженерии: клетки человеческого мозга имплантированы крысам и интегрированы в их мозговые цепочки. Depositphotos

Если рассуждать об органах человеческого тела, то мозг — это самый многогранный и, в то, же время, невероятно сложный объект для изучения. В последние годы мы стали свидетелями впечатляющих успехов ученых в создании выращенных в лаборатории органоидов мозга. Вначале выращивают стволовые клетки, которые подвергают воздействию факторов роста и стимулируют их созревание в различные типы клеток мозга. Впоследствии из них формируются трехмерные структуры, напоминающие те, которые находятся в нашем мозге.

В прошлом году Серджиу Паска, профессор психиатрии и поведенческих наук в Стэнфордской школе медицины, выступил соавтором проекта по исследованию выращенных в лаборатории 20-месячных органоидов мозга. До этой работы считалось, что выращенные в лаборатории клетки мозга не способны созревать до стадии, равной развитию плода. Новый эксперимент доказал, что эти органоиды могут развиваться подобно человеческому мозгу, следуя внутренним часам и достигая постнатальной зрелости в графике, совпадающем с развитием в естественных условиях.

Хотя Паска и другие эксперты в этой области продолжают разработку все более совершенных органоидов, представляющих различные области мозга, например, кору, изучение этих структур в чашках Петри имеет свои ограничения.

"Мы создаем все более сложные структуры, используя органоиды и разнообразные комбинации из клеток мозга, так называемые ассемблоиды", — говорит Паска. Но пока нейроны, выращенные в лабораторных условиях, все еще отстают в своем развитии от того, что можно увидеть в естественно развивающемся мозге человека". Многочисленные проблемы - такие, как недостаток питательных веществ и факторов роста, эндотелиальных клеток, образующих кровеносные сосуды, или сенсорного восприятия - препятствуют развитию в лабораторной посуде".

Серджиу Паска и его коллеги имплантировали человеческие нейроны в мозг новорожденных крыс, что позволило изучать проблемы нервно-психического развития. "Наша платформа впервые обеспечивает поведенческие показатели для человеческих клеток и, как мы надеемся, может ускорить наше понимание сложных психических заболеваний", - сказал он. Timothy Archibald

В своей последней работе Паска и его команда пересадили органоиды мозга, напоминающие кору головного мозга человека, почти 100 молодым крысам. Возраст крысят составлял два-три дня, что эквивалентно младенческому возрасту человека. Это было сделано для того, чтобы органоиды могли образовывать связи и эволюционировать вместе с их собственным мозгом.

Вскоре эндотелиальные клетки крысы мигрировали в человеческую ткань, формируя кровеносные сосуды, снабжая ее питательными веществами и способностью выводить отработанные продукты. Иммунные клетки мозга крысы повторили этот путь, поселившись в пересаженной ткани. Эти органоиды не только выжили, но и эволюционировали до такой степени, что заняли около трети полушария мозга крысы, в которое они были имплантированы.

Кроме того, рост отдельных нейронов также ускорился. Они закрепились в мозге крысы и образовали связи с естественной схемой мозга грызуна, включая область таламуса, которая отвечает за передачу сенсорной информации от тела.

"Эта связь, возможно, обеспечила сигналы, необходимые для оптимального созревания и интеграции нейронов человека", - сказал Паска.

На следующем этапе эксперимента ученые приступили к изучению заболеваний, создав органоид из клеток кожи, полученных от пациента с синдромом Тимоти - заболеванием мозга, связанным с аутизмом и эпилепсией. Такой органоид был пересажен в одну часть мозга крысы, в то время как органоид, созданный из клеток здорового человека, был пересажен в другую часть в качестве контроля. Примерно через пять-шесть месяцев ученые обнаружили значительные различия в электрической активности, при этом нейроны пациента с синдромом Тимоти были намного меньше и имели меньше сигнальных структур- дендритов.

"Нам многое удалось узнать о синдроме Тимоти, изучая органоиды, выращенные в чашках", - утверждает Паска. " Но только благодаря трансплантации мы смогли увидеть эти различия, связанные с активностью нейронов".

Но самые поразительные результаты были получены в ходе экспериментов, призванных оценить способность гибридных мозгов обрабатывать сенсорную информацию. Ученые обнаружили, что, когда вибриссы (усы) крыс обдувались воздухом, нейроны человека в ответ становились электрически активными.

В рамках другого эксперимента органоиды были модифицированы таким образом, чтобы реагировать на синий свет, который подавался через ультратонкие волоконно-оптические кабели. Импульсы синего света использовались для активации нейронов. Крысы получали воду только после воздействия синего света. В течение 15 дней крысы обучались тому, что активация этих нейронов означает приближение награды. Это стимулировало их подбегать к трубочке в ожидании порции воды. Тот факт, что крысы научились ассоциировать стимуляцию синим светом с получением воды, показывает, что имплантированная человеческая ткань может функционировать как часть системы поиска вознаграждения в мозге крыс. 

"Исследователи показали, что при активации человеческие нейроны вмешиваются в поведение крыс", - сказал доктор Юрген Кноблих, научный директор Австрийского института молекулярной биотехнологии, который не принимал участия в исследовании. "Человеческие клетки функционально соединяются с мозгом крыс. Это и есть причина, по которой эта работа уникальна".

Паска называет это самой передовой схемой человеческого мозга, когда-либо созданной из клеток человеческой кожи, и говорит, что платформа является первой, предлагающей поведенческие показатели для человеческих клеток в этом контексте. Благодаря возможности контролировать и наблюдать за эффектами, оказываемыми на поведение крыс, технология открывает новые захватывающие возможности для изучения нервно-психических расстройств.

"Теперь мы можем изучать как развитие здорового мозга, так и мозговые расстройства, которые, как считается, берут свое начало в процессе эволюции, с беспрецедентной детализацией, без необходимости вырезать ткань из мозга человека", - считает Паска. "Мы также можем использовать эту новую платформу для тестирования новых лекарств и генных терапий для лечения нервно-психических расстройств".

Результаты данного эксперимента были зарегистрированы в издании Nature. 

Source: Stanford University, journal Nature. 

1. (https://www.nature.com/articles/s41586-022-05277-w)
2. (https://med.stanford.edu/news/all-news/2022/10/human-rat-brain-neuron.html)