Искусственно выращенный мозг начал проявлять нейронную активность

Технология выращивания органоидов позволяет перепрограммировать клетки таким образом, что из них при делении вырастает крохотная модель эмбрионального мозга. Несмотря на очень скромный размер (обычно с горошину) эти мини-мозги ведут себя во многом как настоящие: в них могут быть характерные для настоящего мозга слои нейронов и деление на отделы, а активность генов оказывается похожа на активность мозга на 8–16 неделях после зачатия. Обычно органоиды растут не очень долго и начиная с определенного момента, он наступает в разное время для разных классов органоидов, перестают достоверно воспроизводить мозговые процессы. Отчасти это связано с тем, что при достижении определенного размера им становится тяжело расти вне обычного окружения, например, без снабжающих их обычно кислородом сосудов. Из-за этого до недавнего момента исследования на органоидах воспроизводили только начальные этапы роста мозга.

Сотрудникам из Лаборатории Элисона Миотри (Alysson R. Muotri) Калифорнийского Университета в Сан-Диего удалось поддерживать рост клеток органоида мозга в течение десяти месяцев. За такое долгое время нейроны органоидов успевают не только дифференцироваться в сложные структуры с большим числом разных клеток, но и начать общаться и формировать нейронную сеть. Модели со зрелыми формирующими синапсы нейронами научились делать еще в 2015 году, но в новом исследовании удалось сделать их настолько аккуратно, что их электрическая активность оказалась удивительно похожа на таковую у недоношенных детей.

Оптимизация протоколов выращивания привела к тому, что органоиды оказались удивительно похожи на человеческий мозг как в плане разнообразия нейронов, так и их электрической активности. Четыре раза за десять месяцев ученые отбирали образцы для РНК-секвенирования отдельных клеток, чтобы найти в них активность, специфичную для разных типов нервной ткани. Всего исследователи проанализировали 15990 клеток, относящихся к одному из пяти основных классов: клетки-предшественники, промежуточные клетки предшественники, глиальные летки, глутаматергические нейроны и ГАМК-ергические нейроны, которые обычно встречаются в коре головного мозга только у приматов. В зависимости от возраста органоида соотношение этих клеток менялось.

Чтобы замерить электрическую активность в органоидах, их выращивали на мультиэлектродных чипах, которые улавливали электрические импульсы и записывали их в виде электроэнцефалограммы. У людей по мере развития паттерн ЭЭГ меняется: чем старше мозг, тем меньше промежутки между вспышками активности нейронов. Ученые получили аналогичную динамику для своих органоидов, а в качестве верификации сравнили электрические паттерны органоидов с ЭЭГ 39 недоношенных детей.

Дополнительно они попытались научиться предсказывать возраст органоидов по ЭЭГ — такая проверка дала бы дополнительную уверенность, что развитие органоидов идет по такому же пути что и в настоящих мозгах и может служить адекватной моделью для их исследования. Они обучили нейронную сеть предсказывать возраст на обычных образцах ЭЭГ, а затем попробовали этой сетью предсказать возраст органоидов. Оказалось, что нейросеть хорошо справляется с этим заданием, — особенно в случае органоидов постарше.

Источник: https://nplus1.ru, https://www.cell.com