Cel mai mare obstacol în calea înțelegerii creierului uman este chiar omul care îl deține. Nimeni nu poate face experimente în materia cenușie a cuiva în timp ce acea persoană încă o folosește. Așa se explică de ce multe dintre procesele prin care creierul se dezvoltă și se conectează — și ce se întâmplă atunci când acestea dau greș — rămân puțin înțelese.
De ani de zile, cercetătorii caută alte căi de a studia țesutul cerebral uman: celule cultivate în vase de Petri, apoi structuri tridimensionale minuscule numite Structuri celulare 3D microscopice, cultivate în laborator din celule stem umane, care reproduc la scară miniaturală organizarea, tipurile de celule și activitatea electrică a creierului în dezvoltare.. Dar chiar și celor mai sofisticate organoide le lipsește ceva — corpul pe care creierul îl controlează în mod normal.
O echipă de cercetători de la Universitatea Stanford, condusă de profesorul român Sergiu Pașca, a găsit o rezolvare ingenioasă pentru a depăși acest blocaj: a cultivat țesut cortical uman direct în creierul unor șoareci al căror Stratul exterior cutat al creierului (materia cenușie), responsabil pentru funcțiile cognitive superioare: procesarea simțurilor, luarea deciziilor conștiente, memoria, limbajul și mișcările voluntare. fusese aproape complet eliminat genetic încă din primele stadii de dezvoltare.
În trei luni, țesutul uman s-a extins până a ajuns să reprezinte peste 90% din volumul țesutului cortical. Conținea vase de sânge, se conectase la sistemul nervos al șoarecelui, devenise activ din punct de vedere electric și trimitea unele proiecții până în măduva spinării.
„Cel mai important aspect este că aceștia sunt totuși șoareci. Au un sistem nervos de șoarece, organe senzoriale de șoarece și structuri subcorticale de șoarece. Ceea ce este neobișnuit este faptul că cea mai mare parte a țesutului cortical prezent la aceste animale este de origine umană și că neuronii umani cresc, se integrează și formează conexiuni funcționale cu restul sistemului nervos al șoarecelui.”, a declarat specialistul în neuroștiințe Sergiu Pașca, cercetător român care activează la Universitatea Stanford, SUA.
Ce nu poate oferi o cutie Petri
Organoidele cerebrale au devenit foarte sofisticate în ultimii ani. Se pot cultiva aglomerări de țesut cerebral care conțin o gamă largă de tipuri de celule întâlnite în sistemul nervos uman în dezvoltare, iar organoide reprezentând regiuni diferite pot fi unite în structuri mai complexe, numite Modele avansate de laborator obținute prin fuzionarea a două sau mai multe organoide diferite, permițând celulelor să comunice și să recreeze circuitele complexe dintre regiuni cerebrale distincte..
Dar există o limită a ceea ce se poate realiza într-o cutie Petri. Un organoid izolat nu are irigare sanguină, nu primește informații senzoriale pe care să le proceseze și nu are mușchi pe care să-i controleze.
Pașca și colegii lui încearcă de ani de zile să depășească această limită. În 2022, echipa a transplantat organoide corticale umane în șobolani nou-născuți: acolo, neuronii umani s-au maturizat, s-au integrat în creierul gazdei și au răspuns chiar la informațiile senzoriale provenite de la mustățile acesteia.
Rămânea însă o problemă de ritm. Neuronii umani se dezvoltă mult mai lent decât cei ai rozătoarelor, iar cele două sisteme în dezvoltare se aflau în competiție pentru același teritoriu. Așadar, cercetătorii au eliminat competiția.
Șoareci lipsiți de cortex, ca să facă loc neuronilor umani
Echipa a modificat genetic șoarecii astfel încât cea mai mare parte a cortexului cerebral și a hipocampului să nu se dezvolte niciodată. Le-au numit șoareci Organisme modificate genetic cărora le lipsește mantaua cerebrală (pallium în latină). În acest experiment, șoarecii au fost concepuți fără cortex cerebral și fără hipocamp..
Unii au fost crescuți astfel până la vârsta adultă. Alții au primit transplanturi de organoide corticale umane la scurt timp după naștere, devenind ceea ce cercetătorii numesc șoareci Organisme hibride al căror spațiu cortical a fost colonizat de țesut neuronal provenit de la o altă specie (xenos = străin, în greacă), în acest caz celule cerebrale umane..
Pe măsură ce animalele au crescut și s-au maturizat în lunile următoare, grefele au crescut odată cu ele, extinzându-se dramatic prin spațiul cortical vacant.
Țesutul obținut nu a fost însă o copie identică a creierului nostru. Chiar și după 6 luni, el a rămas într-un stadiu embrionar incipient — comparabil mai degrabă cu cel al unui făt uman la jumătatea sarcinii —, lipsit de arhitectura celor 6 straturi celulare specifice unui cortex matur.
Neuroni greu de reprodus în laborator au apărut în grefe
Cu toate acestea, țesutul a început să producă neuroni pe care cercetătorii s-au străduit să-i genereze în alte modele.
Printre ei, un grup numit Celule nervoase din profunzimea cortexului, echipate cu prelungiri foarte lungi (axoni), care funcționează ca linii magistrale de comunicare directă cu măduva spinării și trunchiul cerebral. (L5-ET) — neuroni cu proiecție pe distanțe lungi, care în mod normal conectează cortexul cu părți îndepărtate ale sistemului nervos.
Iar în cadrul acelei populații, cercetătorii au descoperit celule asemănătoare Celule mari, alungite în formă de fus, întâlnite aproape exclusiv la speciile cu viață socială complexă (oameni, cetacee, cimpanzei). Sunt considerate circuite de mare viteză pentru intuiție și conștiință socială. (VEN): neuroni neobișnuiți, alungiți, găsiți în regiuni specifice ale creierului uman și deosebit de dificil de reprodus în laborator. În studiul anterior, pe șobolani, nu fuseseră detectați. Acești neuroni-fus sunt printre cele mai fascinante celule din neurobiologie: la om și la puținele mamifere cu viață socială complexă (precum cimpanzeii, balenele sau elefanții), ei sunt asociați cu procesarea intuitivă rapidă și cogniția superioară. Faptul că s-au format spontan într-un creier de rozătoare demonstrează că țesutul uman are nevoie de mediul dinamic al unui corp viu pentru a-și activa întregul potențial de diferențiere.
Ce anume din creierul șoarecelui le încurajează dezvoltarea rămâne neclar.
„Încă nu știm, și cred că aceasta este una dintre cele mai interesante întrebări ridicate de studiu. Este … posibil ca oferirea accesului neuronilor corticali umani la ținte îndepărtate din alte părți ale sistemului nervos să furnizeze semnale dificil de reprodus într-un organoid cultivat în eprubetă. O altă posibilitate este că în mediul in vivo există factori care lipsesc din organoizii cultivați în eprubetă. Aceștia ar putea include Substanțe chimice naturale secretate de organism care acționează ca „hrană” și semnale de ghidaj pentru neuroni, menținându-i în viață și stimulându-le conectarea. sau de creștere, semnale asociate cu activitatea neuronală, vascularizarea sau alte interacțiuni cu celulele înconjurătoare.”, a spus Pașca.
În labirintul în Y, șoarecii xenocorticali au depășit nivelul întâmplării
Ce se întâmplă cu țesutul cerebral uman era însă doar jumătate din întrebare. Cealaltă jumătate: ce se întâmplă, de fapt, cu șoarecii?
Pentru a afla, cercetătorii au supus trei grupuri de șoareci — un grup de control normal, nemodificat, șoarecii apalliali fără grefă și șoarecii xenocorticali — unui test cu labirint în formă de Y.
Șoarecii preferă în mod natural să exploreze o ramură a labirintului diferită de cea pe care tocmai au vizitat-o, așa că amintirea locurilor în care au fost deja constituie un test simplu al memoriei de lucru.
Șoarecii obișnuiți s-au orientat fără dificultate. În schimb, cei lipsiți de cortex au eșuat: alegerile lor la intersecție au fost o simplă loterie de 50/50, dovadă că nu-și puteau aminti brațul de labirint pe care abia îl vizitaseră. Surpriza a venit de la șoarecii xenocorticali: prezența grefei umane le-a permis să depășească jocul hazardului și să manifeste o memorie de lucru activă.
„Acesta este un rezultat intrigant, mai ales pentru că șoarecii apalliali nu au prezentat aceeași performanță. Totuși, ar trebui să fim precauți în a concluziona doar pe baza acestui fapt că neuronii umani sunt direct responsabili de comportament”, a spus Sergiu Pașca.
Aceasta este o întrebare care va trebui abordată în cercetările viitoare.
Modelul e gândit pentru boli, nu pentru performanța în labirint
Deocamdată, studiul răspunde la o întrebare mai fundamentală pe care oamenii de știință încercau să o abordeze: nu dacă celulele creierului uman îi ajută pe șoareci să se descurce mai bine în labirinturi, ci dacă grefele de creier uman la șoareci oferă o modalitate de a studia ce se întâmplă când creierul nu funcționează corect.
Valoarea reală a acestei punți biologice se măsoară în suferințele umane pe care medicina nu le-a putut recrea niciodată fidel într-o cutie de laborator.
„O direcție evidentă este Boală neurodegenerativă cauzată de distrugerea neuronilor din lobii frontali și temporali, caracterizată prin pierderea treptată a empatiei, modificări majore de personalitate și tulburări de limbaj.. Deoarece acum putem genera neuroni de tip VEN în acest context, putem obține organoide corticale de la pacienți, putem analiza dacă acești neuroni rari prezintă o vulnerabilitate selectivă și putem testa dacă intervențiile propuse îi pot proteja. În cazul epilepsiei, putem analiza dacă neuronii umani asociați cu boala generează activitate anormală a circuitelor sau crize și dacă aceste anomalii pot fi corectate terapeutic. În cazul autismului și al altor tulburări de dezvoltare neurologică, putem analiza dacă anumite modificări ale circuitelor corticale umane duc la consecințe funcționale sau comportamentale reproductibile la animal.”, a explicat Pașca.
Un cost etic în ambele direcții
Integrarea țesutului neuronal uman într-un alt animal, la această scară, ridică inevitabil câteva întrebări etice dificile.
Echipa nu a așteptat finalizarea experimentelor pentru a începe să le pună. Pe lângă procesul obișnuit de evaluare a cercetării pe animale, Pașca a menționat că au fost implicați bioeticieni de la Stanford și un comitet extern format din specialiști în neuroștiințe, eticieni, juriști și reprezentanți ai pacienților.
O întrebare se referă la animalele în sine: dacă suferința lor este justificată de tipul de cercetare efectuată sau dacă informațiile pot fi obținute pe altă cale.
„O altă întrebare importantă este dacă introducerea de țesut neuronal uman din ce în ce mai complex în sistemul nervos al unui animal ar putea duce la proprietăți neașteptate, emergente sau noi, care ar necesita o analiză etică suplimentară. Am luat în considerare această posibilitate în mod explicit și am monitorizat animalele cu atenție, atât din punct de vedere biologic, cât și comportamental, pe măsură ce cercetarea a avansat.”, a spus Pașca.
În același timp, există un cost etic și în a nu dezvolta modele mai bune pentru bolile neurologice și psihiatrice.
„Tulburările neurologice și psihiatrice afectează aproape una din cinci persoane, iar pentru multe dintre aceste afecțiuni încă nu înțelegem suficient de bine mecanismele biologice subiacente pentru a dezvolta tratamente eficiente. Multe dintre aceste tulburări implică circuite neuronale umane și consecințe comportamentale care nu pot fi modelate în mod adecvat în modelele animale convenționale sau în celule umane izolate.”, a spus Pașca.
Dincolo de dilemele etice inevitabile, experimentul de la Stanford nu își propune să creeze himere sau animale mai inteligente, ci să ofere o voce experimentală unui creier uman rămas adesea mut în fața bolilor mintale. Pentru milioanele de oameni captivi în suferințe neurologice fără leac, această conviețuire celulară între două specii ar putea fi prima fereastră cu adevărat deschisă către terapii salvatoare.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Un compus din spanac și migdale ar putea agrava boala inflamatorie intestinală
Oamenii de știință au descoperit o schimbare majoră la nivelul creierului între vârstele de 50 și 75 de ani
Cercetătorii din China susțin că au creat o pastilă care ar putea prelungi viața până la 150 de ani
Persoanele cu ADHD au cu aproape 50% mai multe șanse să aibă probleme digestive, sugerează o analiză pe 1,9 milioane de oameni
