Обнаружены мозговые волны в мини-мозгах, выращенных в чашке Петри

Ученые создали миниатюрные мозги из стволовых клеток, в которых развились функциональные нейронные сети. Несмотря на то, что они в миллион раз меньше человеческого мозга, эти выращенные в лаборатории органоиды впервые продемонстрировали мозговые волны, напоминающие волны недоношенных детей. Исследование, опубликованное 29 августа в журнале Cell Stem Cell, может помочь ученым лучше понять развитие человеческого мозга.

"Уровень нейронной активности, который мы наблюдаем, беспрецедентен для условий in vitro", — говорит биолог Алиссон Муотри из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Как создавались органоиды

Гороховидные мозги, называемые церебральными органоидами, получены из человеческих плюрипотентных стволовых клеток. Помещенные в культуральную среду, имитирующую условия развития мозга, клетки дифференцируются в различные типы клеток мозга и самоорганизуются в трёхмерную структуру, напоминающую развивающийся человеческий мозг.

Ранее ученые уже выращивали органоиды со сходной клеточной структурой, но ни одна из предыдущих моделей не развивала человеческие функциональные нейронные сети. Сети формируются, когда нейроны созревают и взаимосвязываются, что необходимо для большинства мозговых активностей.

Развитие активности

Муотри и коллеги оптимизировали процедуру выращивания стволовых клеток, включая состав культуральной среды. Это позволило их органоидам достичь большей зрелости. Команда выращивала сотни органоидов в течение 10 месяцев, используя многоканальные электродные матрицы для мониторинга нейронной активности.

• Всплески мозговых волн были зафиксированы примерно на втором месяце. Сигналы были редкими и имели одинаковую частоту — паттерн, характерный для очень незрелого мозга.
• По мере роста органоиды начинали производить волны разных частот, а сигналы появлялись регулярнее. Это указывает на дальнейшее развитие нейронных сетей.

"Это результат увеличения количества функциональных синапсов и формирования большего числа связей между нейронами", — поясняет Муотри.

Сравнение с мозгом младенца

Чтобы сравнить паттерны волн органоидов с ранним развитием человеческого мозга, команда обучила алгоритм машинного обучения на записях мозговых волн 39 недоношенных детей в возрасте от шести до девяти с половиной месяцев. Алгоритм смог предсказать, сколько недель развивались органоиды, что предполагает сходную траекторию роста у органоидов и человеческого мозга.

Ограничения и этика

Муотри подчеркивает, что у этих органоидов вряд ли есть психическая деятельность, такая как сознание.

"Органоид — все еще очень rudimentary модель... Эти мозговые волны могут не иметь ничего общего с активностью реального мозга".

В будущем команда планирует усовершенствовать органоиды и использовать их для изучения заболеваний, связанных с нарушением работы нейронных сетей, таких как аутизм, эпилепсия и шизофрения.

"Как ученый, я хочу приблизиться к человеческому мозгу, чтобы помочь людям с неврологическими заболеваниями. Но нам решать, где предел. Это тот же дискурс, что и вокруг CRISPR для младенцев, поэтому у нас есть этические комитеты", — заключает Муотри.