Ученые создали миниатюрные мозги, способные воспринимать течение времени

Фото из открытых источников

Наш мозг состоит из 86 миллиардов нейронов и триллионов связей между ними, генерирующих скоординированный вихрь электричества и химических веществ, пульсирующих внутри этого комка желеобразного жира, белка и воды.

Сложный биологический механизм, определяющий нас, людей, созревает примерно за 20 лет, что значительно дольше, чем у большинства других видов. Это, наряду с дополнительным неудобством, заключающимся в том, что мозг заперт внутри нашего черепа, делает наш развивающийся мозг экспериментально недоступным.

Итак, учёные создают мозг в лаборатории, ничего особенного.

В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи описали прорыв в создании миниатюрных мозгов, называемых органоидами, которые способны «чувствовать» течение времени и сохранять клеточную «память» о том, сколько времени они уже потратили на развитие.

Эти полученные из стволовых клеток коллекции клеток головного мозга также являются самыми долгоживущими органоидами, наблюдаемыми на сегодняшний день, их продолжительность наблюдения составляет почти шесть лет. Такой период беспрецедентен, поскольку многие предыдущие эксперименты с органоидами ограничивались несколькими неделями или месяцами.

«Работа демонстрирует, что разнообразные клетки в органоидах могут развиваться в течение значительных периодов времени и способны как фиксировать, так и воспроизводить свой возраст развития», — поясняют исследователи. «Эти системы предоставляют огромное количество данных о в значительной степени непостижимых периодах постнатального развития человеческого мозга».

Учёные и раньше создавали органоиды, похожие на мозг, даже такие, у которых появлялись рудиментарные глаза с мозговыми волокнами, передающими сигналы.

Однако эта новая работа знаменует собой как минимум два важных шага вперед: в долговечности и функциональности.

Исследователи использовали различные генетические, визуализационные и электрофизиологические методы для изучения созревания десятков органоидов. Ключевым моментом стало использование ДНК-маркеров в качестве «эпигенетических часов», чтобы продемонстрировать, что выращенные в культуре образцы созревают аналогично настоящему мозгу.

Тем не менее, не все типы клеток одинаково способны выживать в органоидах. Однако большинство распространенных типов клеток демонстрировали непрерывное молекулярное созревание на протяжении всего эксперимента, что свидетельствует о соответствии процессов созревания мозга in vitro и in vivo.

Это включало появление таких клеток, как звездообразные астроциты, которые помогают поддерживать гематоэнцефалический барьер, а также олигодендроциты, которые создают жировую миелиновую оболочку, изолирующую нервные волокна.

И хотя исследователи обнаружили прогрессирующее снижение количества жизненно важных, но хрупких нейронов, обеспечивающих работу основных функций мозга, они показали, что популяции этих клеток могут выживать в культуре почти шесть лет.

Важно отметить, что они также продемонстрировали, как помочь сохранить нейроны: поддерживая их спонтанную активность, что чем-то сродни периодическому выполнению упражнений на бицепс для предотвращения дряблости мышц верхней части рук.

Данная программа нейрофизиологических упражнений поддерживается с помощью специализированной питательной среды, которая более точно имитирует химическую среду центральной нервной системы.

Пожалуй, наиболее интересно то, что клетки мозга, по-видимому, фиксируют течение времени с помощью «внутриклеточных часов, которые задают темп развития мозга, хотя их молекулярные механизмы и функциональное значение еще предстоит выяснить», — пишут исследователи.

Чтобы проверить это, они разделили органоиды разного возраста на составляющие их клетки. Затем они собрали их заново в «химероиды», похожие на крошечные франкенштейновские образования, собранные из смеси отдельных компонентов разного возраста.

Эти химероиды демонстрировали клеточную память о своем предыдущем возрасте развития, несмотря на то, что они были разобраны, а затем вновь собраны.

Например, химероид, созданный из старых клеток, производил потомство соответствующего возраста (новые клетки), такие как астроглия, даже несмотря на то, что после повторной сборки он созрел всего 15 дней назад.

Кроме того, при смешивании с более молодыми клетками химероиды смещались в сторону несколько более молодых молекулярных состояний, но при этом сохраняли признаки своей предыдущей истории развития.

Таким образом, когда из реконструированных старых клеток создавались более старые предки, они «помнили» период, проведенный в культуре, и пропускали уже выполненные этапы, производя за две недели потомство, на создание которого в противном случае потребовалось бы два месяца.

Наконец, продемонстрировав возможность поддержания органоидов в течение столь длительного времени, исследователи предлагают способ моделирования отдельных молекулярных, структурных и функциональных особенностей постнатального созревания клеток головного мозга человека.

«В совокупности органоиды, культивируемые в течение длительного времени, и многомодальное богатство данных, полученных с их помощью, представляют собой как мощную экспериментальную систему, — заключают исследователи, — так и информацию, которая будет способствовать пониманию в значительной степени неизученных механизмов, управляющих неотенией, созреванием и эволюцией человеческого мозга».