«Уровень нейронной активности, который мы наблюдаем, беспрецедентен in vitro», – говорит Алиссон Муотри, биолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего. "Мы на один шаг ближе к модели, которая действительно может генерировать эти ранние этапы сложной нейронной сети."
Мозг размером с горошину, называемый церебральными органоидами, происходит из плюрипотентных стволовых клеток человека. Помещая их в культуру, которая имитирует среду развития мозга, стволовые клетки дифференцируются в разные типы клеток мозга и самоорганизуются в трехмерную структуру, напоминающую развивающийся человеческий мозг.
Ученые успешно вырастили органоиды с клеточной структурой, аналогичной структуре человеческого мозга.
Однако ни одна из предыдущих моделей не создавала функциональных нейронных сетей, подобных человеку. Сети появляются, когда нейроны созревают и становятся взаимосвязанными, и они необходимы для большинства видов деятельности мозга.
«Вы можете использовать органоиды мозга для нескольких целей, в том числе для понимания нормального развития нервной системы человека, моделирования заболеваний, эволюции мозга, проверки лекарств и даже для информирования искусственного интеллекта», – говорит Муотри.
Муотри и его коллеги разработали более совершенную процедуру выращивания стволовых клеток, включая оптимизацию формулы культуральной среды. Эти изменения позволили их органоидам стать более зрелыми, чем предыдущие модели. Команда вырастила сотни органоидов за 10 месяцев и использовала многоэлектродные массивы для мониторинга их нейронной активности.
Команда начала обнаруживать всплески мозговых волн от органоидов примерно через два месяца. Сигналы были редкими и имели одинаковую частоту – закономерность, наблюдаемую в очень незрелом человеческом мозге. По мере того, как органоиды продолжали расти, они производили мозговые волны на разных частотах, и сигналы появлялись более регулярно.
Это говорит о том, что органоиды дополнительно развили свои нейронные сети.
«Это результат того, что у вас больше функциональных синапсов, и вы формируете больше связей между нейронами», – говорит Муотри.
По его словам, взаимодействие между нейронами способствует формированию сигналов на разных частотах.
Чтобы сравнить паттерны мозговых волн органоидов с паттернами человеческого мозга на раннем этапе развития, команда обучила алгоритм машинного обучения с мозговыми волнами, записанными у 39 недоношенных детей в возрасте от шести до девяти с половиной месяцев.
Алгоритм смог предсказать, сколько недель органоиды развились в культуре, что позволяет предположить, что эти органоиды и человеческий мозг имеют схожую траекторию роста.
Однако маловероятно, что эти органоиды обладают умственной деятельностью, например сознанием, говорит Муотри. «Органоид – это все еще очень примитивная модель – у нас нет других частей и структур мозга.
Таким образом, эти мозговые волны могут не иметь ничего общего с активностью реального мозга."
«Возможно, в будущем мы получим что-то, что действительно близко к сигналам человеческого мозга, которые контролируют поведение, мысли или память», – говорит Муотри. "Но я не думаю, что сейчас у нас есть какие-либо доказательства, чтобы утверждать, что у нас есть хоть какие-то."
Забегая вперед, команда нацелена на дальнейшее улучшение органоидов и их использование для понимания заболеваний, связанных с нарушением работы нейронной сети, таких как аутизм, эпилепсия и шизофрения.
«Как ученый, я хочу становиться все ближе и ближе к человеческому мозгу», – говорит Муотри. "Я хочу это сделать, потому что вижу в этом хорошее. Я могу помочь людям с неврологическими заболеваниями, предлагая им лучшее лечение и лучшее качество жизни. Но где предел – решать нам.
Возможно, технология еще не готова, или мы не знаем, как ее контролировать. Это такая же дискуссия вокруг CRISPR у младенцев, и поэтому у нас есть комитеты по этике, которые представляют все слои общества."