Человеческой ткани освободили место в мозге мыши. Получилась новая модель мозга
Исследователи освободили в мозге мышей почти всю область, где должна была сформироваться кора, а затем заполнили свободное пространство выращенной человеческой нервной тканью. Через несколько месяцев клетки заняли большую часть освободившегося объёма, сформировали нейронные сети и протянули отростки к другим отделам нервной системы. Новая модель мозга позволяет наблюдать развитие человеческих нейронов внутри живого организма и изучать повреждения, которые обычные мыши воспроизводят плохо.
Для пересадки использовали органоиды мозга, небольшие трёхмерные структуры, выращенные из человеческих стволовых клеток. Органоиды способны воспроизводить отдельные этапы развития коры, но чашка с питательной средой сильно ограничивает возможности такой модели. У ткани нет полноценного кровоснабжения, связи с органами чувств и мышцами, а некоторые типы клеток созревают хуже, чем внутри организма.
Пересадка органоидов грызунам применяется уже несколько лет, однако человеческие и мышиные клетки начинают конкурировать за пространство и нервные связи. Нейроны грызунов развиваются намного быстрее и успевают сформировать собственные цепи задолго до созревания человеческих клеток. Авторы новой работы решили убрать конкурента: генетические изменения не позволили у мышей сформироваться большей части новой коры и гиппокампа. Во взрослом возрасте у таких животных оставалось около 2% обычного объёма соответствующей ткани.
В свободные полости мозга молодых мышей пересадили человеческие органоиды коры возрастом от 30 до 60 дней. Через два-три месяца объём человеческой ткани увеличился почти в пять раз и заполнил более 90% доступного пространства. Нейроны не просто выжили: клетки образовали разнообразные типы нервной ткани, проявляли электрическую активность и отправляли длинные отростки в глубокие области мозга и спинной мозг. Записи активности показали организованные сигналы, характерные скорее для развивающейся нервной сети, чем для зрелой коры.
Несмотря на столь большую пересадку, животные не получили человеческий мозг и не показали признаков необычного интеллекта. Через три-шесть месяцев после операции большинство показателей поведения у мышей с пересаженной тканью оставалось близким к показателям обычных животных. Независимые специалисты подчёркивают, что человеческие клетки оставались незрелыми, а поведение животного формировалось совместной работой пересаженной ткани и сохранившихся мышиных отделов мозга. Поэтому результаты нельзя считать доказательством человеческого мышления, сознания или полноценной замены коры.
Преимущества новой системы проявились во время опыта с кислородным голоданием. Исследователи на пять часов снизили доступ кислорода и обнаружили заметные повреждения человеческой нервной ткани. После воздействия мыши с трансплантатами хуже удерживали равновесие и меняли постановку лап при ходьбе, тогда как обычные животные и мыши без коры переносили такой режим значительно легче. Авторы рассматривают результат как способ изучать повышенную чувствительность развивающегося человеческого мозга к недостатку кислорода, который может повреждать нервную систему во время беременности или родов.
В пересаженной ткани обнаружили ещё одну необычную особенность, нейроны фон Экономо. Крупные веретенообразные нервные клетки встречаются в человеческом мозге и у некоторых других крупных социальных млекопитающих, но прежде их не удавалось получить в обычной лабораторной культуре. Некоторые формы лобно-височной деменции сопровождаются выраженной потерей таких клеток, поэтому возможность выращивать их внутри живой нервной системы может помочь изучать механизмы заболевания.
Новая система остаётся искусственной моделью с серьёзными ограничениями. Чтобы дать человеческим клеткам место, исследователям пришлось нарушить нормальное формирование огромной части мышиного мозга, а пересаженная ткань всё равно не стала зрелой человеческой корой. Эксперты также указывают на сложность подобных экспериментов, трудности с воспроизводимостью и этические вопросы, которые будут становиться заметнее по мере увеличения объёма и степени интеграции человеческой нервной ткани.
Практическая цель метода пока не связана с пересадкой такой ткани людям. Авторы рассчитывают использовать модель для изучения раннего развития мозга, эпилепсии, нарушений развития нервной системы, последствий кислородного голодания и других состояний, где обычные грызуны плохо воспроизводят особенности человеческих клеток. В перспективе органоиды можно выращивать из клеток конкретного пациента, наблюдать за изменениями нервных цепей внутри живого организма и проверять потенциальные методы лечения до перехода к испытаниям на людях.