Содержание
Биологи вживили модель человеческого мозга в голову крысы — Газета.Ru
Биологи вживили модель человеческого мозга в голову крысы — Газета.Ru | Новости
close
100%
Ученые пересадили мозговой органоид человека новорожденным крысам. Статья об этом опубликована в Nature.
Эксперименты на людях, в том числе на их мозге, могут трудны, могут причинить вред и серьезно ограничены законодательством. В связи с этим ученые выращивают органоиды мозга — модели, представляющие из себя конгломерат нервных клеток, связанных между собой. Чтобы проверить работу органоида, их пробовали пересаживать животным, но не достигали успеха.
Серджиу Пашка из Стэнфордского университета и его коллеги смогли вживить органоид мозга крысе. Они перенесли мозговой органоид новорожденным крысам, а не взрослым, как делали их коллеги. В этот период мозг еще не завершил свое развитие, что позволило органоиду прижиться и встроиться в его структуру.
Кроме того, у мышей не было тимуса, а значит их адаптивный иммунитет не смог атаковать трансплантат.
Мозговые органоиды не только прижились в мозгу крыс: ученые отметили девятикратное увеличение объема трансплантата через три месяца после операции. Более того, внутри него появились сосуды и клетки микроглии — макрофаги нервной системы.
Клетки мозгового органоида, который встроили в организм грызунов, стали отличаться от тех, что выращивали in vitro. Они больше и экспрессируют гены, связанные с созреванием нейронов, а значит — ученые добились развития органоида в живом организме.
Кроме того, вживленная ткань оказалась связана с организмом крыс неожиданным образом. Например, клетки органоида активировались, когда крысу трогали за усы. Авторы надеются, что их метод выращивания органоидов позволит полноценно исследовать работу и развитие мозга человека.
Ранее генетики выяснили, какие народы России больше похожи на неандертальцев.
Подписывайтесь на «Газету.
Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Чтобы сообщить об ошибке, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
Новости
Дзен
Telegram
Георгий Бовт
Не догонишь – не похоронишь
О том, как мы хотели перегнать Америку, но потом передумали
Алексей Мухин
Хромая утка по-пекински
О возможном конфликте США и Китая
Мария Дегтерева
Там чудеса, там леший бродит
О бюрократии и чиновничестве в России
Иван Глушков
Холодное блюдо
О гастрономическом путешествии на Таймыр
Дмитрий Самойлов
Праздник за праздником
О Дне народного единства и Дне Октябрьской революции
Найдена ошибка?
Закрыть
Спасибо за ваше сообщение, мы скоро все поправим.
Продолжить чтение
Крысам пересадили часть человеческого мозга. Чего хотят добиться ученые?
14 октября 2022
15:09
Ольга Мурая
Органоид из клеток человеческого мозга, пересаженный в мозг крысы. Он был помечен флуоресцентным белком, поэтому на снимке светится зелёным.
Фото Stanford University.
Небольшие скопления клеток человеческого мозга, известные как органоиды мозга. Они чем-то напоминают структуру человеческого мозга, но не повторяют её полностью.
Фото Muotri Lab/UC San Diego.
Трансплантаты в мозге крыс успешно прижились. Они не только реагировали на сигналы от других областей мозга, но и сами могли отправлять сигналы, вызывавшие изменение поведения крыс.
Учёные успешно внедрили клетки человеческого мозга в мозг новорождённых крыс. Нейроны человека разрослись в крысином мозге и начали подавать признаки здорового функционирования. Станут ли от этого крысы «немного людьми» и зачем это нужно учёным?
Это на первый взгляд пугающее достижение науки открывает совершенно новый путь изучения сложных психических расстройств, таких как шизофрения и аутизм. Возможно, в результате учёные смогут испытывать новые методы лечения на таких «очеловеченных» крысах.
Изучать, как развиваются эти состояния, невероятно сложно — животные не испытывают те же самые ощущения, что люди, а мозг людей нельзя просто так вскрыть для проведения исследований.
Конечно, исследователи могут собирать в чашках Петри небольшие срезы ткани человеческого мозга, полученные из стволовых клеток. Такое уже удалось сделать с более чем десятком областей мозга.
Но нейроны не вырастают в пробирке до размеров, которых достигают человеческие нейроны в настоящем мозге. А по изолированным от тела нейронам к тому же невозможно сказать, какие симптомы вызовет тот или иной дефект.
Именно для того, чтобы преодолеть все эти ограничения, учёные и имплантировали органоиды человеческого мозга в мозг новорождённых крыс.
Небольшие скопления клеток человеческого мозга, известные как органоиды мозга. Они чем-то напоминают структуру человеческого мозга, но не повторяют её полностью.
Фото Muotri Lab/UC San Diego.
Для эксперимента неслучайно были выбраны детёныши крыс. Дело в том, что человеческие нейроны раньше уже пересаживали взрослым крысам. Но мозг любого животного перестаёт развиваться в определённом возрасте, и это ограничивает возможность приживления чужеродных клеток.
Проведя трансплантацию на ранних стадиях развития крысиного мозга, учёные увидели, что человеческие органоиды могут вырасти относительно большими, в них прорастают кровеносные сосуды — то есть к ним успешно подаются питательные вещества. В результате человеческие ткани мозга могли занимать около трети полушария мозга крысы, пишут авторы работы.
Чтобы проверить, насколько хорошо нейроны человека взаимодействуют с мозгом и телом крысы, через усы животных продували воздух, чтобы вызвать электрическую активность в нейронах.
Это показало входную связь — внешняя стимуляция тела крысы обрабатывалась человеческой тканью в мозгу.
Затем исследователи проверили обратное: могут ли человеческие нейроны отправлять сигналы, которые тело крысы сможет воспринимать.
Для этого крысам пересадили человеческие нейроны, «обученные» реагировать на синий свет. Затем эти нейроны стимулировали синим светом, одновременно обучая крыс лизать носик поилки, чтобы получить воду.
Впоследствии, при активации нейронов синим светом крысы начинали лизать поилку автоматически.
Это говорит о замечательном достижении: сигнал, начинавшийся в пересаженных человеческих тканях, проходил весь путь по нервной системе крысы, вызывая поведенческую реакцию.
Также для создания некоторых органоидов использовались клетки мозга трёх пациентов с генетическим заболеванием: синдромом Тимоти. Он поражает сердце и нервную систему и обычно приводит к ранней смерти.
После поведенческих тестов крыс усыпили, извлекли и препарировали их мозг, что позволило исследователям изучить, как прижились органоиды на клеточном уровне.
Они обнаружили, что человеческие нейроны выросли намного крупнее любых нейронов, выращенных в пробирке. Они успешно «обосновались» в крысином мозге и образовали сети с «родными» нейронами крыс.
Нейроны у крыс с трансплантатами с синдромом Тимоти были менее развиты и образовывали иные синаптические связи с окружающей тканью мозга по сравнению с контрольными группами. Это новое открытие, которое не удалось бы сделать, изучая органоиды мозга в чашке Петри.
По словам авторов исследования, этот метод в конечном итоге можно будет использовать для тестирования новых лекарств.
Но он же и поднимает потенциально неудобные вопросы: сколько ткани человеческого мозга можно имплантировать крысе, прежде чем природа животного изменится? Будет ли этично проводить подобный «апгрейд мозга» у приматов?
Исследователи утверждают, что глубина интеграции нейронов человека с мозгом крысы имеет «естественные барьеры».
Мозг крысы развивается намного быстрее, а само животное живёт гораздо меньше, чем человек. Поэтому кора мозга крысы может интегрировать не так много человеческих нейронов.
Но у видов, более близких к человеку, таких барьеров может не быть, и авторы этой работы пока не поддерживают использование этой техники у приматов.
Новое исследование было опубликовано в издании Nature.
Больше поразительных новостей из мира науки и медицины вы найдёте в разделах «Наука» и «Медицина» на медиаплатформе «Смотрим».
наука
медицина
мозг
психиатрия
трансплантация
крысы
нейроны
общество
новости
Клетки человеческого мозга, имплантированные крысам, вызывают возбуждение и тревогу.
Согласно исследованию 1 ,
миниатюрные структуры, подобные человеческому мозгу, трансплантированные крысам, могут посылать сигналы и реагировать на сигналы окружающей среды, улавливаемые крысиными усами. Эта демонстрация того, что нейроны, выращенные из стволовых клеток человека, могут взаимодействовать с нервными клетками живых грызунов, может привести к тестированию методов лечения заболеваний головного мозга человека.
Гибридный мозг: этика трансплантации человеческих нейронов животным
Ученые хотели бы использовать органоиды головного мозга — крошечные мозгоподобные структуры, выращенные из стволовых клеток человека, — для изучения нейродегенеративных и нервно-психических расстройств, развивающихся у людей. Но органоиды лишь до поры до времени имитируют человеческий мозг. У них не развиваются кровеносные сосуды, и поэтому они не могут получать питательные вещества, а это означает, что они долго не развиваются. И они не получают стимуляции, необходимой им для полноценного роста: в мозгу человеческого младенца рост нейронов и то, как они развивают связи с другими нейронами, частично основаны на входных данных от органов чувств.
Чтобы стимулировать и поддерживать органоиды мозга, нейробиолог Серджиу Паска из Стэнфордского университета в Калифорнии и его коллеги вырастили структуры из человеческих стволовых клеток, а затем ввели их в мозг новорожденных крысят, ожидая, что человеческие клетки будут расти. вместе с собственными клетками крыс. Команда поместила органоиды в область мозга, называемую соматосенсорной корой, которая получает сигналы от усов крыс и других органов чувств, а затем передает их в другие области мозга, которые интерпретируют сигналы.
Может ли выращенный в лаборатории мозг стать сознательным?
Клетки человеческого мозга созревают намного медленнее, чем клетки крысы, поэтому исследователям пришлось ждать более шести месяцев, чтобы органоиды полностью интегрировались в мозг крысы. Но когда они исследовали мозг животных в конце этого времени, они увидели, что интеграция была настолько успешной, что это было почти как добавление «еще одного транзистора в схему», сказал Паска на пресс-конференции 10 октября.
Паола Арлотта, молекулярный биолог из Гарвардского университета в Кембридже, штат Массачусетс, воодушевлена результатами. «Это важный шаг, позволяющий органоидам рассказать нам о более сложных свойствах мозга», — говорит она, хотя считает, что процедура трансплантации все еще слишком дорога и сложна, чтобы стать стандартным инструментом исследования. Следующим шагом, добавляет Арлотта, будет выяснение того, как отдельные человеческие нейроны — а не только полностью развитые органоиды — интегрируются в мозг крысы.
В своем отчете, опубликованном в Nature 12 октября 1 , исследователи описывают, как они генетически сконструировали нейроны в органоидах, чтобы они срабатывали при стимуляции светом от оптоволоконного кабеля, встроенного в мозг крыс. Команда научила крыс лизать носик, чтобы получить воду, когда свет включен. Впоследствии, когда исследователи пролили свет на гибридный мозг, крысам было предложено лизнуть носик, а это означало, что человеческие клетки достаточно хорошо интегрировались, чтобы управлять поведением животных.
Кроме того, когда исследователи потрогали усы крыс, они обнаружили, что человеческие клетки в сенсорной коре активизировались в ответ, предполагая, что клетки были способны улавливать сенсорную информацию.
Нейроны человека, созданные из стволовых клеток и трансплантированные в мозг крысы (справа), растут более полно, чем те, которые культивируются в чашке (слева). Предоставлено: Стэнфордский университет
.
Чтобы продемонстрировать перспективность своей работы по изучению заболеваний головного мозга, Паска и его коллеги также создали органоиды мозга из стволовых клеток трех человек с генетическим заболеванием, называемым синдромом Тимоти, которое может вызывать симптомы, сходные с некоторыми, наблюдаемыми при аутизме. Крошечные структуры выглядели так же, как и любые другие органоиды мозга, выращенные в чашке, но когда исследователи пересадили их крысам, они не выросли такими большими, как другие, и их нейроны не активировались таким же образом.
Расти Гейдж, нейробиолог из Института биологических исследований Солка в Ла-Хойя, Калифорния, рад видеть эти результаты.
В 2018 году он и группа исследователей обнаружили, что трансплантированные органоиды человеческого мозга могут быть интегрированы в мозг взрослых мышей 2 . Мыши живут не так долго, как крысы, и Паска и его коллеги надеялись, что, поскольку мозг новорожденных крысят более пластичен, чем у взрослых животных, они лучше смогут получать новые клетки.
«У нас есть проблемы, — говорит Гейдж. «Но я верю, что процедура трансплантации будет ценным инструментом».
Первые обезьяно-человеческие эмбрионы вновь вызывают споры о гибридных животных
Некоторые испытания носят этический характер. Люди обеспокоены тем, что создание гибридов грызунов и людей может нанести вред животным или создать животных с человеческим мозгом. В прошлом году группа, организованная Национальными академиями наук, инженерии и медицины США, опубликовала отчет, в котором делается вывод о том, что органоиды человеческого мозга все еще слишком примитивны, чтобы стать сознательными, достичь человеческого интеллекта или приобрести другие способности, которые могут потребовать правового регулирования.
Паска говорит, что трансплантация органоидов его командой не вызывала таких проблем, как судороги или дефицит памяти у крыс, и, по-видимому, существенно не меняла поведение животных.
Но Арлотта, член комиссии Национальной академии, говорит, что проблемы могут возникнуть по мере развития науки. «Мы не можем просто обсудить это один раз и оставить все как есть», — говорит она. Она добавляет, что опасения по поводу человеческих органоидов необходимо сопоставлять с потребностями людей с неврологическими и психическими расстройствами. Органоиды мозга и гибридный мозг человека и животных могут выявить механизмы, лежащие в основе этих заболеваний, и позволить исследователям протестировать методы лечения таких состояний, как шизофрения и биполярное расстройство. «Я думаю, что мы как общество обязаны делать все возможное, — говорит Арлотта.
Клетки человеческого мозга, трансплантированные в мозг крыс, перспективны для нейропсихиатрических исследований | Центр новостей
Медицина Стэнфорда
Новости
2022
Трансплантация клеток мозга помогает исследователям
История
Выращенные в лаборатории кластеры клеток человеческого мозга настолько хорошо интегрируются в мозг молодых крыс, что позволяют исследователям изучать молекулярные и схемные основы нарушений развития нервной системы.
12 октября 2022 г.
— Брюс Голдман
Продвигая исследования психических расстройств и развития мозга, исследователи Стэнфордской медицины успешно соединили живые человеческие нервные клетки или нейроны и поддерживающие клетки мозга с мозговой тканью крыс, чтобы сформировать гибридные рабочие схемы.
Исследование, описанное в исследовании, опубликованном в Интернете 12 октября в Nature , демонстрирует метод проведения экспериментов, которые в противном случае были бы инвазивными, трудными или невозможными. По словам Серджиу Паска, доктора медицинских наук, профессора психиатрии и поведенческих наук в Стэнфордской школе медицины, выращивая и манипулируя тканью человеческого мозга в живой лаборатории мозга крысы, исследователи могут наблюдать влияние на поведение животного.
«Теперь мы можем изучать развитие здорового мозга, а также нарушения мозга, которые, как предполагается, укореняются в развитии, в беспрецедентных деталях, без необходимости вырезания ткани из человеческого мозга», — сказал Паска, Бонни Уйтенгсу и семейный директор Стэнфордского отдела органогенеза мозга.
«Мы также можем использовать эту новую платформу для тестирования новых лекарств и генной терапии нервно-психических расстройств».
Паска — старший автор исследования. Ведущее авторство принадлежит бывшему докторанту Омеру Рева, доктору философии, DMV; специалист по фундаментальным исследованиям жизни Фелисити Гор, доктор философии; и психиатр-резидент и доктор наук Кевин Келли, доктор медицины, доктор философии.
Составляющие успеха
Исследователи начали с использования метода, о котором Паска впервые сообщил в Nature Methods в 2015 году. или около того типы клеток. В тщательно контролируемых условиях в лабораторных чашках эти клетки дифференцировались в несколько типов клеток мозга и размножались, образуя органоиды, напоминающие кору головного мозга — самый внешний слой человеческого мозга, а также его самую недавно развившуюся часть.
Изменения в этом протоколе позволили Паске и его коллегам создать органоиды, представляющие дюжину различных областей мозга.
«Мы создавали все более сложные схемы в тарелке, используя органоиды и их сложные комбинации, называемые ассемблоиды. Но нейроны в этих лабораторных чашках все еще отстают в своем развитии по сравнению с тем, что вы видите в естественно развивающемся человеческом мозгу», — сказал Паска. По его словам, многочисленные проблемы, такие как нехватка питательных веществ и факторов роста, эндотелиальных клеток, формирующих кровеносные сосуды, или сенсорный ввод, препятствуют развитию в лабораторной чашке.
Реципиентами трансплантации в исследовании были крысята в возрасте всего двух-трех дней, что эквивалентно младенчеству у человека. По словам Паски, проведение идентичной процедуры с использованием взрослых крыс вряд ли окупилось бы, потому что связи в мозге в значительной степени формируются на ранних этапах развития. По его словам, мозг становится значительно менее восприимчивым к формированию большего количества связей после того, как эти ранние критические периоды прошли.
Примерно через два месяца культивирования органоиды, очень похожие на кору головного мозга человека, были перенесены в мозг молодых крыс — около 100 в ходе исследования. Органоиды были помещены в одно и то же место в мозгу каждой крысы, чтобы их развитие было легче контролировать.
Клетки крыс вскоре мигрировали в ткани человека: Эндотелиальные клетки крыс проникли в имплантаты человеческого мозга и собрались в кровеносные сосуды, которые снабжают клетки человека питательными веществами и сигнальными веществами и удаляют метаболиты отходов. Резидентные иммунные клетки в мозге крысы также заселили человеческий трансплантат.
«Они сразу въехали», — сказал Паска.
Имплантированные человеческие органоиды выжили, процветали и росли. Имея примерно одну пятую дюйма при пересадке, они расширились до такой степени, что через шесть месяцев заняли целую треть полушария крысиного мозга, в которое были имплантированы.
Отдельные нейроны из человеческих органоидов в крысином мозгу теперь были по крайней мере в шесть раз больше, чем нейроны в органоидах, созданных таким же образом и в то же время, которые остались в чашке, а не были пересажены.
Они также демонстрировали гораздо более сложные модели ветвления.
Нейроны из органоидов обосновались в мозгу крыс, формируя рабочие связи с местными цепями. Одной из структур мозга крысы, с которой человеческие нейроны установили прямые связи, был таламус, область в глубине мозга, которая передает множественные сенсорные входы в кору.
«Это соединение могло обеспечивать передачу сигналов, необходимых для оптимального созревания и интеграции нейронов человека», — сказал Паска.
Окончательный контролируемый эксперимент
Чтобы оценить способность трансплантированных органоидов помечать молекулярные основы нервно-психических расстройств человека, Паска и его коллеги обратились к синдрому Тимоти, редкому генетическому заболеванию, тесно связанному с аутизмом и эпилепсией. Ученые пересадили органоид, полученный из клеток кожи пациента с синдромом Тимоти, в одну сторону мозга крысы. В соответствующее место с другой стороны они пересадили органоид, полученный от здорового человека, который служил контролем.
Пять-шесть месяцев спустя исследователи заметили заметные различия между электрической активностью двух сторон. Нейроны синдрома Тимоти также были намного меньше, и им не хватало отрастающих ветвей, щеткообразных отростков, называемых дендритами, которые действуют как антенны для входных данных от соседних нейронов.
«Мы многое узнали о синдроме Тимоти, изучая органоиды, хранящиеся в чашке», — сказал Паска. «Но только с трансплантацией мы смогли увидеть эти различия, связанные с активностью нейронов».
Подобные сравнения — трансплантация органоидов от людей, скажем, с шизофренией или аутизмом, по сравнению с теми, у кого нет этих расстройств, в противоположные части мозга одной и той же крысы — могут выявить различия в размере, сложности, функциях и связях, сказал Паска.
Крысы Павлова
Исследователи из Стэнфордской медицины позаботились о том, чтобы разместить органоиды в той области мозга крыс, которая обрабатывает сенсорную информацию от усов животных.
Длинные волосы, торчащие из их рыл, обнаруживают близлежащие предметы и поверхности, помогая им избегать столкновений, когда они быстро движутся или находятся в незнакомых местах.
«Теперь мы можем изучать развитие здорового мозга, а также нарушения мозга, которые, как предполагается, укореняются в развитии, в беспрецедентных деталях, без необходимости вырезания ткани из человеческого мозга».
Ученые окончательно доказали, что человеческие нейроны могут активироваться с помощью сенсорных сигналов крыс. Когда они возмущали усы теперь уже взрослых крыс потоками воздуха, человеческие нейроны в мозгу крыс становились электрически активными, реагируя синхронно на отдельные воздушные потоки.
Когнитивные тесты примерно через 200 дней после трансплантации показали, что крысы были не более напуганы, чем контрольные крысы, сохраняли аналогичные возможности памяти и не испытывали судорог.
«В целом мы не увидели ни улучшений, ни недостатков, — сказал Паска.
В другом эксперименте ученые имплантировали человеческие органоиды, которые были модифицированы таким образом, что составляющие их нейроны могли активироваться определенными частотами синего лазерного света. Примерно через три месяца исследователи вставили ультратонкие волоконно-оптические кабели, которые могут передавать лазерный свет от удаленной точки происхождения к человеческим органоидам в мозге крыс. Затем этих крыс поместили в стеклянную коробку с крошечным носиком для воды. Исследователи использовали форму Павловского кондиционирования, доставляя случайные вспышки синего света для активации человеческих органоидных тканей в мозге крыс, но делая воду доступной для крыс только после импульсов синего света. К концу 15-дневного периода обучения достаточно было просто посветить органоиду синим светом, чтобы крысы бросились к носику.
Крысы научились ассоциировать стимуляцию синим светом привитых человеческих нейронов с вознаграждением в виде воды, доказывая, что имплантированная человеческая ткань интегрировалась в цепи поиска вознаграждения крыс и могла задействовать их — комплекс нейронных путей, которые, у всех млекопитающих направляет поведение к деятельности, связанной с предыдущими приятными результатами.
«Это самая передовая схема человеческого мозга, когда-либо созданная из клеток кожи человека, и демонстрация того, что имплантированные человеческие нейроны могут влиять на поведение животного», — сказал Паска. «Наша платформа впервые предоставляет данные о поведении клеток человека и, как мы надеемся, может ускорить наше понимание сложных психических состояний».
Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения (гранты R01Mh215012, K99DA050662 и S10RR026917-01), Стэнфордским институтом неврологии Ву Цая, Стэнфордской программой органогенеза мозга, Bio-X, Фондами Квана, Фондами Сенкута, Нью-Йоркским Фонд стволовых клеток, Инициатива Чана-Цукерберга, Фонд Коутса, Фонд семьи Людвиг и Фонд Альфреда Э. Манна.
Истории по теме:
- Статья: 50 лет этики: ученые ориентируются во все более сложной области
- Статья: А вот и сборки
- Видео: как ассемблоиды меняют будущее исследований мозга
Контакты для СМИ
Стэнфордская медицина объединяет исследования, медицинское образование и здравоохранение в трех своих учреждениях — Стэнфордской школе медицины, Стэнфордском здравоохранении и Стэнфордском детском здравоохранении.