Человеческие мини-мозги прижились в зрительной коре крыс и среагировали на мигание

Выращенные из стволовых клеток человека мозговые органоиды, пересаженные в мозг взрослых крыс с поврежденной зрительной корой, проявили активность, когда крысы увидели мигающие огни и чередующиеся черные и белые линии. На основании этого исследователи заключили, что человеческие нейроны взяли на себя некоторые функции зрительной системы крыс, говорится в статье, опубликованной в журнале Cell Stem Cell. Ее авторы полагают, что выращенные из стволовых клеток человека ткани можно будет использовать для восстановления поврежденных участков мозга взрослых животных и, в перспективе, возможно, людей.

Травмы и болезни головного мозга могут приводить к обширным повреждениям нервной ткани и утрате некоторых функций. Это могут быть, например, потеря чувствительности, двигательных навыков разной степени тяжести (парезы и параличи), нарушения речи и слуха. И так как нейрогенез у взрослых млекопитающих ограничен, то самостоятельно поврежденные регионы восстановиться не могут.

Этому может помочь трансплантация тканей в пораженные участки. Например, успешно проводилась пересадка участков лобной коры от плода грызунов к взрослым животным с моторными нарушениями: эти клетки приживались и встраивались в системы мозга, а у взрослых животных улучшались моторные навыки. Но проводить подобные процедуры с людьми невозможно по этическим соображениям.

Зато можно вырастить крохотную модель мозга из плюрипотентных стволовых клеток человека и уже пересаживать таким образом полученные ткани. Несмотря на то, что такие мини-мозги весьма малы (обычно с горошину), они во многом схожи с настоящими по структуре и электрической активности, а некоторые еще и отращивают себе зачатки глаз. Кстати, на сегодняшний день ученые не только успешно создают мини-мозги современного человека, но и, например, делают это из клеток, в ДНК которых внесена мутация, характерная для неандертальского генома.

Ранее американские исследователи успешно пересадили новорожденным крысятам органоид мозга человека. В виду того, что в этом возрасте развитие мозга у животных еще не завершилось, пересаженные ткани прижились и встроились в структуру мозга крысят. За время наблюдения ученые отметили значительное увеличение объема пересаженных структур, образование внутри них сосудов и клеток микроглии — одного из типов иммунных клеток в головном мозге.

При этом повреждение нервных тканей головного мозга переживают не только новорожденнные, но и взрослые. Поэтому эксперименты с удачной пересадкой органоидов мозга взрослым животным сейчас необходимы, однако до недавнего времени их не было.

Теперь Айзек Чен (Isaac Chen) из Пенсильванского университета и его коллеги пересадили органоиды мозга человека в зрительную кору молодых взрослых самцов крыс, предварительно удалив (то есть повредив) часть зрительной коры животных.

До того, как органоид мозга был имплантирован в мозг животных, его выращивали в течение 80-88 суток. Чтобы после пересадки отличать органоиды мозга человека от собственных тканей крыс, ученые выращивали мини-мозги из плюрипотентных стволовых клеток, которые экспрессировали зеленый флуоресцентный белок.

Также до пересадки и каждый день после иммунитет крыс подавлялся с помощью инъекций циклоспорина А, — чтобы иммунная система не атаковала органоиды, и они могли прижиться. За результатами проведенной операции исследователи наблюдали в течение трех месяцев, после крыс умерщвили.

В результате оказалось, что мозговые органоиды прижились в мозгу крыс. Внутри них появились сосуды, и сосудистая сетка увеличилась за месяцы наблюдения (p < 0,001). Более того, между органоидом и разными отделами мозга крыс образовались нейронные связи, при этом структура и состав органоида соответствовали строению зрительной коры, но человеческой, и миграции нейронов крысы в органоид ученые не обнаружили. Также исследователи отметили увеличение объема органоида в течение времени, хотя и незначительное.

Далее необходимо было выяснить, реагируют ли прижившиеся нейроны органоида на зрительные стимулы. Для этого исследователи ввели в имплантированный органоид 32 внутрикортикальных электрода. Эти электроды записывали ЭЭГ восьми крыс, пока животные смотрели на экран с мигающими огнями. Для сравнения ученые сняли ЭЭГ у двух крыс, которым не проводили пересадку органоида мозга человека (для удобства далее будем называть их «наивными»).

Через два месяца органоидные нейроны шести крыс начали демонстрировать электрическую активность в ответ на мигающие огни. Хотя, реакции органоидных нейронов и собственных нейронов зрительной коры наивных животных несколько отличались: реакция органоидных нейронов была более продолжительной, но при этом возникающие в них связанные с событием потенциалы имели меньшую амплитуду, и, наконец, меньшее число органоидных нейронов откликались в ответ на зрительный стимул (p = 0,005).

Также исследователи показали крысам чередующиеся черные и белые линии разной ориентации, например, горизонтальные и диагональные, — это помогло ученым понять, могут ли пересаженные нейроны кодировать особенности зрительной информации. Через два месяца органоидные нейроны демонстрировали избирательность ориентации, подобную той, что наблюдалась в собственных нейронах зрительной коры наивных крыс (р = 0,649).

Как считают авторы, результаты их исследования показывают, что человеческие нейроны интегрировались в мозг крыс и взяли на себя некоторые функции зрительной системы этих животных.

В будущем исследователи планируют пересадить человеческие органоиды и в другие области мозга животных, например, в моторные отделы, а в несколько отдаленной перспективе — провести подобные операции и с людьми, у которых есть повреждения корковых структур. Таким образом, подобный способ можно будет применять при реабилитации людей, перенесших травмы головного мозга, инсульт или другие состояния, повлекшие повреждения корковых структур.

Однако не только пересадка выращенных из стволовых клеток тканей может помочь при реабилитации людей с поражениями мозга, но и введение в мозг непосредственно стволовых клеток. Таким образом поступили ученые из Стэнфорда: они ввели в мозг парализованных после инсульта людей мезенхимальные стволовые клетки из костного мозга доноров. В результате этой процедуры часть пациентов начала лучше говорить и двигаться, а некоторые снова смогли ходить.