Японские ученые вырастили из стволовых клеток «минимозг» человека
Исследователи из Киотского университета и калифорнийского Института Салка получили функциональные нейронные сети с церебральных органоидов.
Хотя органоиды самом деле не могут «думать», эти сети можно использовать в качестве модели для изучения функций мозга и развития неврологических заболеваний. Описание модели нейросети опубликовано в журнале Stem Cell Reports.
Ученые давно совершенствуют технологии выращивания в лабораторных условиях упрощенных версий человеческих органов. Сейчас их в основном используют для тестирования новых фармацевтических препаратов и различных методик лечения. Однако группе японских исследователей удалось создать минимозг, который имеет не только аутентичную трехмерную структуру, но и демонстрирует скоординированную нейронную активность.
Церебральные органоиды — это искусственно выращенные трехмерные культуры тканей, которые напоминают мозг человека и могут имитировать его развитие. Чтобы их получить, ученые создали массив взятых у взрослого человека плюрипотентных стволовых клеток, из которых могут развиться различные ткани организма. Затем они поместили эти клетки в чашу Петри, заполненную питательной жидкостью, имитируя среду, необходимую для развития мозга. Клетки самостоятельно сформировали нейронные сети, напоминают кору головного мозга.
Используя органоиды, команда исследователей успешно визуализировала синхронизированные и несинхронизированные действия во всей нейросети и в соединениях между отдельными нейронами.
На примере мозга ученые наглядно показали, что могут успешно восстанавливать орган буквально с нуля. Искусственные нейроны ведут себя так же, как и естественные, хотя и не способны превратиться в полноценную нейросистему.
Исследователи разработали инструмент для оценки комплексного динамического изменения сетевой активности в обнаруженной области. Он позволил проследить за активностью более тысячи клеток. Новый метод может помочь ученым понять процессы, посредством которых информация кодируется в мозге благодаря активности определенных типов клеток, а также фундаментальные механизмы, лежащие в основе психических заболеваний.
«Самое интересное в этом исследовании то, что мы смогли выявить динамические изменения в активности ионов кальция и визуализировать комплексную деятельность клеток», — объясняет соавтор публикации Хидея Сакагучи.
Кроме технических проблем, исследователи столкнулись с этическими вопросами. «Поскольку церебральные органоиды имитируют процесс развития, то в будущем они могут дойти до умственной деятельности — вплоть до сознания, — говорит Сакагучи. — Кое-кто ссылается на знаменитый мысленный эксперимент „Мозг в колбе“ Хилари Патнема: мозг, помещенный в питательную среду с подключением к компьютеру, может иметь ту же сознание, что и люди».
Исследователи считают, что церебральные органоиды вряд ли будут развивать сознание, ведь им не хватает информации из окружающей среды.
«Сознание требует субъективного опыта, а церебральные органоиды без сенсорных тканей не будут иметь сенсорного входа и моторного выхода, — говорит Сакагучи. — Однако возможность того, что церебральные органоиды с системой ввода и вывода разовьют сознание, нуждается морального рассмотрения, фундаментальные и прикладные исследования этих церебральных органоидов станут огромным этическим вызовом».
Как отметил профессор Дзюн Такахаши, в будущем прикладные исследования органоидов найдут применение в трех основных областях: открытии лекарств, моделировании психоневрологических расстройств и регенеративной медицине.
«Церебральные органоиды могут обеспечить значительное развитие фармакологических компаний, заменив традиционные модели животных, а также могут быть использованы для моделирования неизлечимых нервных заболеваний, — объясняет он. — Используя наш метод, можно будет анализировать паттерны активности клеток в функциях мозга для дальнейшего изучения этих областей».