Различные заболевания головного мозга — одни из наиболее частых в мире. Только психические расстройства ежегодно обходятся мировой экономике в 2,5 триллиона долларов. Бороться с такими патологиями сложно: у медиков и ученых нет доступа к мозговой ткани живого человека. Неинвазивных методов исследования — например магнитно-резонансной томографии (МРТ) или электроэнцефалографии (ЭЭГ) — недостаточно. Однако теперь есть возможность исследований на искусственных мини-мозгах.

На ранней эмбриональной стадии развития у человека есть так называемые всемогущие клетки, из которых затем формируются абсолютно все органы. Лауреат Нобелевской премии Синъя Яманака придумал, как перепрограммировать клетки взрослого человека (обычно берут из кожи), "откатив" их до состояния эмбриональных. Из этих индуцированных стволовых клеток (иСК) в пробирке выращивают то, что нужно, — например, нервную ткань. В зависимости от задачи можно получить определенную область мозга или имитировать ту или иную патологию.

"МРТ и ЭЭГ в свое время произвели революцию в нейронауке, но у них множество ограничений. У электроэнцефалографии хорошее временное разрешение, однако ужасное пространственное. Магнитно-резонансная томография — наоборот. Скажем, отследить, как мысль идет по мозгу, не получится", — говорит РИА Новости профессор Центра нейробиологии и нейрореабилитации Сколтеха Филипп Хайтович.

По его словам, благодаря органоидам можно узнать, как передается сигнал между нейронами, через какие белки. Это послужит основой для понимания работы мозга.

Органоиды — это не мозг. Они не подключены к кровеносным сосудам и органам чувств, что исключает их развитие и рост — а значит, и превращение в настоящий орган. Это ограничивает экспериментаторов. Но такие структуры можно вживлять в мозг животного.

Человеческие мозговые органоиды успешно подсаживали лабораторным мышам. Однако их жизнь слишком коротка — "вставки" не успевают достаточно развиться. Кроме того, эксперименты обычно проводили на взрослых животных, что, вероятно, ограничивало интеграцию.

Недавно ученые из Стэнфордского университета в Калифорнии вживили человеческие нейроны более крупным грызунам — новорожденным крысам.

Клетки человека внедрили в соматосенсорную кору, которая получает сигналы от органов чувств (например, усов) и передает их в другие области мозга, где сигналы интерпретируются.

Взаимодействие вживленного органоида с нервной системой крысы проверяли разными способами. Нейроны в добавленном фрагменте коры сконструировали так, чтобы они реагировали на синий свет. Такой свет проходил через встроенное в мозг крысы оптоволокно, и грызуны облизывались.

В другом эксперименте органоид заражали вирусом бешенства и смотрели, как он передается на здоровые части. Наконец, ученые трогали крыс за усы, следя за реакцией мозга через МРТ: оказалось, что органоид проявляет активность в ответ на прикосновение к вибриссам, а значит, способен улавливать сенсорную информацию.

Все это доказывает, что человеческий органоид интегрировался в мозг животного как анатомически, так и функционально. Ведущий автор исследования Серджиу Паска сравнил результат с добавлением "еще одного транзистора в схему". На полное сращивание ушло шесть месяцев.

Кроме того, выяснилось, что нейроны человека, созданные из стволовых клеток и трансплантированные в мозг крысы, выросли намного больше, чем те, которые культивировались в чашке Петри.

Паска и его коллеги также создали органоиды мозга из стволовых клеток людей с генетическим заболеванием — синдромом Тимоти (симптомы похожи на аутические). В лабораторных условиях эти структуры ничем не отличались. Но после пересадки в мозг крысы не показали такого роста, как здоровые, и взаимодействие нейронов было хуже.

"В настоящих тканях клетки все время общаются, посылают друг другу химические или электрические сигналы. Особенно это важно для мозга. В мозгу животного органоид находится в условиях, приближенным к той, в которых должен существовать в нативном состоянии. Это лучше, чем если бы он просто плавал в питательной среде", — объясняет Хайтович.

Крысиный мозг все равно не заменит человеческий, уточняет он. И тем не менее модельные системы — очень мощный научный инструмент.

"Представьте окошко, которое позволяет нам заглянуть в темную комнату. Освещение внутри плохое, и можно рассмотреть далеко не все, но раньше-то мы вообще ничего не видели. Органоиды открывают нам такое окошечко. И чем сильнее мы приближаем модель к естественной среде, тем лучше понимаем, что же происходит в человеческом мозгу", — говорит эксперт.

Мини-мозг: спортсмен и пьяница

Инновацию другого рода предложила группа ученых под руководством Бретта Кагана из биотехнологического стартапа Cortical Labs., разрабатывающего биологические компьютерные чипы. Они создали Dishbrain — нейронную систему из человеческих мозговых органоидов и клеток эмбрионального мозга мышей, выращенную поверх массива электродов, которые могли как стимулировать нейроны, так и считывать их активность.

Воздействуя на этот мини-мозг, исследователи научили его самостоятельно играть в понг — примитивный компьютерный аналог пинг-понга. Правда, без партнера — со "стеной".

Электроды слева или справа от одного массива активировали, чтобы сообщить Dishbrain, с какой стороны находится мяч, а расстояние до него определялось частотой сигналов.

Главной проблемой было побудить клетки к определенному поведению. Человека мотивируют гормоны — например дофамин, дающий чувство удовлетворения. Но у Dishbrain нет подобной системы вознаграждения. Поэтому ученые использовали фундаментальную тягу простых систем к максимальной предсказуемости окружающей среды. Если мяч был отбит, мини-мозг получал ожидаемый сигнал, в случае неудачи — хаотичный. В результате нейронная система самоорганизовалась так, чтобы отбивать шарик.

Авторы работы считают, что ни много ни мало "открыли новую область науки". Теперь собираются подвергнуть нейронную систему воздействию алкоголя и посмотреть, что получится.

"Мозг нужен, чтобы адекватно реагировать на внешние факторы в меняющейся окружающей среде. В понге нужно двинуть палочку вверх или вниз — простейшая одномерная задача. По сути, это маленькая модель того, что делает мозг в гораздо более сложной форме", — объясняет Хайтович.

Смоделировать мозг человека крайне сложно — в нем миллиарды нейронов. Ученые пытаются составить схему работы нервной системы червей нематод — и даже с ней пока не все ясно, добавляет нейробиолог. Успех команды Кагана в том, что им удалось создать релевантную модель.

"Они предсказали, как поведут себя нейроны, чтобы получился определенный результат, и воплотили на практике. Эти ребята не абстрактными вещами занимаются, а понемногу разбираются, как нейроны взаимодействуют", — подчеркивает эксперт.

Опыты с мозговыми органоидами вызывают у некоторых тревогу. Этические проблемы очевидны. В дальнейшем возможны и правовые. Сейчас выращенная из стволовых клеток структура имитирует только самые ранние стадии развития — первые несколько недель внутриутробной жизни. Но мини-мозг в пробирке способен обрести сознание. А попав в животное, наделит его человеческими качествами.

Национальные академии наук, инженерии и медицины США создали специальную группу для изучения этого вопроса. Отчет указывает на крайнюю маловероятность того, что в обозримом будущем органоиды смогут мыслить, испытывать эмоции или чувствовать боль. Пока они ничем не отличаются от других человеческих нервных тканей или культур из пробирки.

"Однако ученые разрабатывают значительно более сложные органоиды, и ситуацию следует регулярно пересматривать", — отмечается в документе.

Что касается внедрения органоидов в организм животных, то, по словам Хайтовича, отдельные "вставки" не сделают из лабораторной крысы человека.

"Есть мышиные модели, где один тип клеток — астроциты — полностью замещен человеческими. Но все равно это мышиный мозг. Если вы поставите колеса от Porsche на самокат, он не станет спорткаром. Здесь практически то же самое", — объясняет Хайтович.

Еще один этический аспект — возможные страдания подопытных животных от таких манипуляций. Но эксперимент Паски и коллег показал, что внедрение органоидов не доставило крысам дискомфорта: "очеловеченные" грызуны вели себя как обычно.

Источник: ria.ru