Мышам пересадили человеческие мини-мозги, сформировавшие новые нейронные сети

Фото из открытых источников

Ученые часто хотят изучить, как развивается человеческий мозг и как различные состояния могут повлиять на его развитие, но вскрытие черепа и осмотр не всегда являются осуществимой задачей. Чтобы обойти эту проблему, американскими учеными был разработан новый способ трансплантации человеческих мини-органоидов мозга в черепа мышей. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Исследователи использовали генетически модифицированных мышей, которые по сути рождаются без большей части коры головного мозга — самого внешнего слоя мозга, отвечающего за высокоуровневое мышление, память, речь и принятие решений. 

Эти модифицированные грызуны были созданы путем изменения их генов с целью устранения клеток, которые обычно формируют эти области мозга на ранних стадиях развития. 

Хотя мыши с дефицитом коры головного мозга несколько хуже справлялись с задачами, проверяющими их память и мелкую моторику, в остальном они были вполне типичными, что само по себе примечательно. 

«Эти животные, у которых отсутствует половина объема мозга или 98 процентов коры головного мозга и гиппокампа, на удивление функциональны», — заявил автор исследования профессор Серджиу Пашка.

«Просто взглянув на мышь, вы не сможете отличить одну мышь с удаленной корой головного мозга от другой, что действительно говорит нам о том, что если удалить части нервной системы на очень ранних стадиях развития, то остальная часть нервной системы, предположительно, сможет взять на себя эту функцию», — добавил Пашка.

Используя пустое пространство в черепе, они хирургическим путем пересадили трехмерный пучок нейронов, выращенных из человеческих клеток. 

Ученые используют эти миниатюрные органоиды человеческого мозга в качестве модели для изучения реального организма, но это новое достижение позволяет им наблюдать за их поведением в живом, дышащем организме, а не просто в стеклянной чашке Петри.

Примечательно, что ткань человеческого мозга успешно прижилась внутри «ксенокортикальных мышей», увеличившись в объеме почти в пять раз за три месяца. Человеческий органоид также установил рабочие связи с естественным мозгом и спинным мозгом.

«Эти человеческие клетки относительно хорошо связаны между собой, потому что у них больше пространства и больше времени по отношению к остальной части нервной системы. Они электрически активны. Вы можете фактически исследовать их и увидеть, как клетки формируют некоторые из этих сетей», — объяснил Пашка.

Следующая часть исследования была посвящена изучению того, могут ли мыши с ксенокортикальной дегенерацией служить моделью для изучения того, как различные заболевания и нарушения развития влияют на человеческий мозг.

Например, человеческий мозг чрезвычайно восприимчив к низкому содержанию кислорода во время развития, гораздо больше, чем мозг мыши. Эта уязвимость является одной из основных причин таких заболеваний, как церебральный паралич.

После пяти часов воздействия низкого уровня кислорода у мышей с ксенокортикальной дегенерацией наблюдались значительные повреждения корковой ткани, полученной из человеческого мозга, что вполне ожидаемо. Эти мыши, испытывавшие кислородное голодание, также испытывали трудности с передвижением и поддержанием равновесия, что отражало симптомы церебрального паралича у людей. 

Между тем, «обычные» мыши практически никак не отреагировали на условия низкого содержания кислорода. 

«Выяснение причин этой разницы может дать ключ к пониманию восприимчивости человеческой нервной системы к кислородному голоданию, пролить свет на механизмы, лежащие в основе церебрального паралича, и предоставить платформу для тестирования потенциальных терапевтических стратегий», — говорится в заявлении Пашки. 

Далее исследователи поясняют, что ксенокортикальные мышиные модели могут быть использованы для изучения происхождения других заболеваний человека или нейроразвивающих расстройств, включая шизофрению, эпилепсию, аутизм и многое другое. 

Самое удивительное, что человеческий мини-мозг, пересаженный мышам, может быть получен из ДНК конкретного человека, что позволяет исследователям отслеживать, как и почему мозг человека функционирует именно так, как он функционирует. 

«В имплантируемые нами клетки содержится генетический материал человека, от которого они получены — будь то пациент или здоровый человек, — что позволяет нам изучать последующие последствия заболеваний для клеток и нейронных сетей головного мозга», — сказал Пашка.

Другие исследователи в этой области высоко оценили исследование, предположив, что это многообещающий новый способ изучения тайн развития человеческого мозга. 

Однако они также предупредили, что у этой модели есть реальные ограничения. Главное из них — будет сложно отделить нормальное развитие человеческого мозга от влияния жизни в необычной среде ксенокортикального мозга мыши.

«Здесь следует проявлять осторожность: функциональная интеграция клеток головного мозга, полученных от человека, не является заменой их функциональной эквивалентности. Трансплантированная ткань головного мозга человека не обладает характеристиками зрелой ткани головного мозга человека. А регистрируемое поведение возникает в результате взаимодействия коры головного мозга человека и оставшейся подкорковой ткани мыши», — заявил в своем обращении к Австралийскому научному медиацентру Адил Рази, профессор вычислительной нейробиологии в Университете Монаша, который не принимал участия в исследовании. 

«Таким образом, ограничением этой методики является сложность определения того, являются ли пересаженные клетки человеческого мозга необходимыми или достаточными для наблюдаемого поведения», — прокомментировал Рази.