Forskare skapade miniatyrhjärnor i labbet som bildade intrikata nätverk och producerade hjärnvågor som liknar dem som avfyrades av en utvecklande hjärna från ett för tidigt mänskligt barn, enligt en ny studie.
Idén att odla miniatyrhjärnor i labbet är inte ny; forskare har gjort det i nästan ett decennium. Men de flesta studier har använt dessa minihjärnor eller "organoider" för att studera storskalig struktur.
Till exempel utvecklade en grupp minihjärnor som kunde växa blodkärl, rapporterade Live Science tidigare. En annan grupp utsatte minihjärnor för Zika-viruset för att förstå hur det kan leda till onormalt små huvuden eller mikrocefali.
Men i tillstånd som autism, schizofreni, bipolär störning och till och med depression, "hjärnan är intakt och problemet är beroende av nätverkets operationer", säger studieförfattaren Alysson Muotri, docent vid institutionen för cellulär och molekylär medicin och chef för Stem Cell-programmet vid University of California, San Diego. Det här är första gången som lab-odlade hjärnor bildar intrikata nätverk av neuroner som producerade starka hjärnvågor.
För att göra detta skördade Muotri och hans team mänskliga stamceller - som kan omvandlas till valfri celltyp med rätt instruktioner - härrörande från människors hud och blod. Forskarna utsatte dessa stamceller för kemiska instruktioner som skulle förvandla cellerna till hjärnceller.
För det mesta bildade dessa celler neurala förfäderceller, hjärnspecifika celler som kan spridas och ge upphov till många typer av hjärnceller. Efter två till fem månader i en labbskål bildar dessa stamceller glutamatergiska neuroner, hjärnceller som är "väckande" eller sådana som sprider information.
Efter ungefär fyra månader slutade minihjärnorna att skapa nervceller och började göra astrocyter. Dessa hjärnceller hjälper till att forma synapser, mellanrummen mellan hjärnceller där neurotransmittorer eller hjärnkemikalier skickar information. Slutligen började förfädercellerna att skapa hämmande neuroner, som släcker hjärnaktivitet eller stoppar neuroner från att skicka information. Det är när "aktiviteten börjar bli mer komplex, för nu balanserar vi excitation och hämning", sa Muotri.
Medan cellerna delade och differentierade började de så småningom att "organisera sig själv till något som liknar den mänskliga cortexen", sa Muotri. Cortex är hjärnans yttre lager, som spelar en viktig roll i medvetandet.
"Minihjärnorna" ser faktiskt inte ut som miniatyrversioner av mänskliga hjärnor. Snarare är de vita, sfäriska klumpar som flyter i den rödaktiga soppan där de odlas, sa Muotri. De växte upp till bara 0,2 tum (0,5 centimeter) i diameter, men deras nervnätverk fortsatte att utvecklas i nio till tio månader innan de stannade, sade han.
Under hela tillväxten av minihjärnan använde teamet en uppsättning små elektroder som ansluter till neuroner för att mäta hjärnaktivitet. Forskarna fann att ungefär två månader började nervcellerna i minihjärnorna att avföra sporadiska signaler, alla på samma frekvens. Efter ett par månaders utveckling sköt hjärnan signaler vid olika frekvenser och mer regelbundet, vilket indikerar mer komplicerad hjärnaktivitet, sa Muotri.
Medan tidigare studier har visat att små, lab-producerade hjärnor kan producera hjärncellsskydd, rapporterade forskare att de skjuter runt säger 3 000 gånger per minut, sade Muotri. I denna studie sköt emellertid nervcellerna nära 300 000 gånger per minut, vilket är "närmare den mänskliga hjärnan", sade han.
Teamet använde sedan en maskininlärningsalgoritm för att jämföra hjärnaktiviteten hos dessa minihjärnor med den för tidigt förekommande människa. Forskarna tränade sitt program för att lära sig hjärnvågorna registrerade från 39 för tidiga barn mellan 6 och 9 och en halv månad.
Forskarna matade sedan hjärnvågmönstren från minihjärnorna in i algoritmen och fann att det efter 25 veckors minihjärnutveckling inte längre kunde skilja den information som kommer från den mänskliga hjärnan från den som härrör från den lab-odlade hjärnan. "Det blir förvirrat och ger båda dem samma ålder," vilket tyder på att minihjärnorna och de mänskliga hjärnorna växte och utvecklades på liknande sätt, sade Muotri.
Denna studie visar "mycket snyggt att du kan göra detta reproducerbara experimentella system där du kan ta itu med processer som är så grundläggande för utvecklingen av en människa", säger Dr Thomas Hartung, chef för Johns Hopkins Center for Alternatives to Animal Testing som också har arbetat med att utveckla minihjärnor i labbet men som inte var en del av studien.
"Den embryonala hjärnans otillgänglighet är ett av orsakerna till att dessa modeller erbjuder något annat", sade han. "Men det betyder också att du har mycket begränsade möjligheter att säga att det är den riktiga saken." Även om EEG-signalerna liknar de som är förmånliga barn, är de lite av i tidpunkten, tillade han.
Medan ett mänskligt embryo är anslutet till modern och därmed får signaler från utsidan, är dessa lab-odlade hjärnor inte kopplade till någonting. "Dessa celler har ingen ingång eller ingen utgång. De kan inte känna igen något som händer i världen," sade Hartung. Så de är "definitivt inte" medvetna.
Det är vad de flesta forskare skulle komma överens om, men "det är svårt att säga", sa Muotri. "Vi neurovetenskapliga är inte ens överens om vilka mätningar man kan göra för att faktiskt undersöka för att se om de är medvetna eller inte."
Den mänskliga hjärnan skickar sina signaler för att hjälpa oss interagera med vår miljö. Vi tittar till exempel på ett fel, ögonen skickar signaler till hjärnceller, som signalerar till varandra och låter oss veta att vi ser ett fel.
Så varför skickar dessa labbvuxna hjärnor signaler? Vad kan de möjligen prata om? "Det är en fråga som vi inte vet, för den embryonala hjärnan är verkligen en svart låda," sa Muotri. Det verkar som om de flesta signalerna i dessa tidiga stadier involverar instruktioner för att "självleda" eller ansluta till varandra, sade han.
I vilket fall som helst sa han att han hoppas att studier som detta hjälper oss att förstå hur tidiga hjärnledningar ger upphov till våra komplexa hjärnor, och vad som händer när de kablarna går fel.
Muotri och hans team sa att de nu hoppas kunna stimulera hjärnorganorganoiderna ytterligare för att se om de kan utvecklas längre än nio till tio månader. Forskarna vill också modellera hjärnstörningar, till exempel genom att skapa hjärnorganoider med celler som tas från barn med autism, för att förstå hur deras hjärnanätverk utvecklas.
Resultaten publicerades idag (29 augusti) i tidskriften Cell Stem Cell.
