Десятимесячный мини-мозг оказался похож по нейронной активности на мозг недоношенных детей
Исследователям удалось увидеть в органоидах коры головного мозга электрическую активность, очень похожую активность мозга недоношенных детей. На исходе двух месяцев культивации в них органоидах зафиксировали вспышки нейронной активности: поначалу сигналы были синхронизированы, но потом их паттерн усложнился по мере взросления органоидов. Ученым удалось поддерживать рост клеток органоида мозга в течение десяти месяцев, говорится в статье, опубликованной в журнале Cell Stem Cell.
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.
В своей прошлой работе исследователи из той же лаборатории вырастили органоиды с мутациями, характерными для неандертальцев. Чем они отличались от обычных органоидов, можно прочитать тут.
Вера Мухина
Также на когнитивное снижение повлияли варианты Гена APOE: аллель APOE4 его ускорила, а аллель APOE2 — замедлила
Исследователи из Колумбии и США изучили, как генотип аполипопротеина и годы образования влияют на когнитивные функции при наследственной болезни Альцгеймера. Выяснилось, что у носителей мутации PSEN1 E280A, связанной с семейной болезнью Альцгеймера, когнитивное снижение наступает раньше и развивается быстрее, если у них в то же время есть аллель APOE4, а у таких же носителей, но с аллелью APOE2, это снижение происходит медленнее. Также более медленное снижение когнитивных способностей было характерно для пациентов, которые больше лет жизни потратили на учебу, — и это к тому же ослабляло влияние особенно опасных вариантов APOE. Результаты опубликованы в Nature Communications. При семейной или наследственной болезни Альцгеймера (БА) когнитивный спад наступает рано и за несколько лет прогрессирует до слабоумия. Семейную болезнь Альцгеймера вызывают некоторые мутации, например, мутация E280A в гене мембранного белка пресенелина PSEN1. Еще один ген, влияющий на развитие и течение БА — ген белка аполипопротеина Е (APOE). Разные варианты этого гена связаны с большим или меньшим риском спорадической (ненаследственной) болезни Альцгеймера: аллель APOE4 повышает риск, а аллель APOE2 снижает его. О том, как варианты APOE влияют на развитие семейной БА известно мало. Одно небольшое исследование показало, что деменция у носителей мутации PSEN1 E280A наступает раньше, если у них есть аллель APOE4. Другое исследование не обнаружило влияния APOE4, но выявило, что аллель APOE2 задерживает клиническое начало заболевания примерно на 8 лет. Кроме того, на развитие БА влияют другие факторы: образ жизни, социально-экономические условия и другие показатели здоровья. Стефани Лангелла (Stephanie Langella) из Гарвардской медицинской школы вместе с коллегами из Колумбии и США решила выяснить, как варианты APOE и количество лет учебы влияют на когнитивные показатели пациентов с наследственной БА (исследователи не выделяли отдельно высшее образование или ученую степень, а смотрели именно на число лет, уделенных образованию). Для этого они проанализировали данные 675 носителей мутации E280A и 594 пациентов, у которых этой мутации не было. Носители и неносители мутации были членами одних и тех же семей. Ученые сравнивали баллы пациентов в краткой шкале оценки психического статуса (MMSE), которую используют для диагностики клинических проявлений деменции. Баллы MMSE у носителей и неносителей мутации PSEN1 E280A начинали различаться уже в возрасте 31,5 года — с этого момента когнитивные показатели носителей снижаются намного быстрее. У пациентов с мутацией E280A, у которых также была аллель APOE4 (141 человек), клиническое начало БА было более ранним, а у пациентов с мутацией E280A, но без аллели APOE4 (534 человека) — наоборот, наступало позже. Расхождения начинались в возрасте 44,3 лет — как раз во столько появляются первые признаки болезни Альцгеймера у пациентов с наследственной формой. Другая аллель, APOE2, напротив, была связана с более медленным когнитивным снижением в группе носителей PSEN1 E280A. А вот когнитивные траектории пациентов без мутации E280A были примерно одинаковыми и не зависели в от варианта APOE. Также исследователи обнаружили, что возраст начала клинических проявлений БА у пациентов с мутацией PSEN1 E280A зависел от количества лет, которые они потратили на учебу. Их когнитивные показатели снижались тем медленнее, чем больше они учились, — и это проявлялось особенно сильно у носителей аллели APOE4 и неносителей APOE2. То есть отрицательный эффект аллели APOE4 ослаблялся. Почти то же было и с неносителями мутаций, связанных с БА: более долгая учеба была связана с более высокими баллами MMSE, но здесь варианты APOE роли не играли. Пока не ясно, как именно аллель APOE4, связанная с большим риском, ухудшает течение семейной болезни Альцгеймера, и как другая аллель — APOE2 — от нее защищает. Но, как видно, большая продолжительность учебы снижает дополнительный риск. А иногда от вредного действия мутаций защищают другие мутации. Недавно исследователи обнаружили мутацию, которая отсрочила развитие семейной болезни Альцгеймера у мужчины. Это был редкий вариант гена RELN — H3447R или RELN-COLBOS. Клинические проявления начались у пациента почти на 20 лет позже обычного. Мужчина был не первым счастливчиком: до этого подобный случай был с женщиной, у нее мутация была как раз в гене APOE.