Eksperyment pokazał jak powstają myśli. Mózg w naczyniu

Jak zbudowano żywy obwód mózgu

Japońscy naukowcy wyhodowali pierwsze, funkcjonalne połączenie między dwoma kluczowymi regionami ludzkiego mózgu. Ten przełom, osiągnięty został dzięki stworzeniu zaawansowanego modelu „mózgu w naczyniu”. Pozwolił on w czasie rzeczywistym zaobserwować, jak jeden z nich – wzgórze – działa jak dyrygent, organizując dojrzewanie drugiego – kory mózgowej. O przełomie poinformował w komunikacie Uniwersytet Nagoya, powołując się na szczegóły badania opublikowanego w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Wzgórze, głęboko położona struktura mózgu, od dawna postrzegano jako ważny „przekaźnik” sygnałów zmysłowych. Najnowsze badania przeprowadzone w Japonii ujawniają jego znacznie bardziej fundamentalną i aktywną rolę. Jest ono bowiem konstruktorem i architektem wyższych funkcji umysłowych.

Od komórek macierzystych do „mózgu w naczyniu”

Bezpośrednie badanie rozwoju ludzkiego mózgu jest niezwykle trudne z przyczyn etycznych i technicznych. Aby to obejść, zespół profesora Fumitaki Osakady z Uniwersytetu Nagoya sięgnął po zaawansowaną technikę organoidów i assembloidów.

Narodziny assembloidów

W tym celu naukowcy najpierw wyhodowali oddzielnie dwa trójwymiarowe modele tkanek z ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPS) – organoid kory mózgowej oraz organoid wzgórza. Następnie połączyli je, tworząc assembloid – zintegrowany obwód neuronowy, który zaczął żyć własnym życiem. Jak wyjaśniają autorzy w komunikacie prasowym, połączono je, aby obserwować, jak oba regiony mózgu wchodzą w interakcje w trakcie rozwoju.

To ważne, ponieważ kora mózgowa to siedziba naszych najwyższych funkcji: myślenia, języka i świadomości. Zbudowana jest z wielu wyspecjalizowanych typów neuronów, które muszą stworzyć precyzyjne połączenia. Zaburzenia w formowaniu się tych obwodów, np. w spektrum autyzmu, leżą u podstaw wielu schorzeń neurologicznych i psychiatrycznych.

Wzgórze to nie tylko przekaźnik, ale dyrygent rozwoju

Eksperyment dostarczył przełomowych obserwacji. Już po 14 dniach od połączenia włókna nerwowe (aksony) z organoidu wzgórza zaczęły aktywnie przerastać w kierunku kory, podczas gdy neurony korowe wysyłały swoje wypustki w stronę wzgórza. Tworzyły się funkcjonalne połączenia synaptyczne, wiernie naśladujące prawdziwą architekturę mózgu.

Kluczowe odkrycie przyszło z analizy genetycznej. Kora połączona ze wzgórzem wykazywała oznaki znacznie większej dojrzałości niż kora rozwijająca się w izolacji. To pierwszy bezpośredni dowód, że komunikacja ze wzgórzem jest niezbędnym katalizatorem dojrzewania ludzkiej kory mózgowej.

Co więcej, aktywność elektryczna w assembloidzie rozchodziła się w charakterystycznych, falowych wzorcach – od wzgórza do kory. Naukowcy zaobserwowali, że te sygnały synchronizowały aktywność tylko określonych typów neuronów korowych – tych, które z kolei wysyłają informacje zwrotne do wzgórza. To wskazuje na precyzyjny, dialogowy mechanizm: wzgórze nie bombarduje kory przypadkowymi impulsami, ale selektywnie „trenuje” i organizuje jej sieci. W ten sposób pomaga im formować spójne obwody odpowiedzialne za złożone przetwarzanie. Są one fizyczną podstawą myśli i świadomości.

Nowa era badań nad mózgiem i jego schorzeniami

Dokonaliśmy znaczącego postępu w konstruktywistycznym podejściu do zrozumienia ludzkiego mózgu poprzez jego odtwarzanie. Wierzymy, że te odkrycia pomogą przyspieszyć poszukiwania mechanizmów leżących u podstaw zaburzeń neurologicznych i psychiatrycznych, a także rozwój nowych terapii

– mówi prof. Osakada w komunikacie Uniwersytetu Nagoya.

Stworzenie funkcjonalnego ludzkiego obwodu wzgórzowo-korowego otwiera zupełnie nowy rozdział w neuronauce. Assembloidy stanowią potężną platformę do badania, jak w ludzkim mózgu rodzą się myśli, emocje i percepcja. A także tego, co dzieje się, gdy ten proces zostaje zaburzony. To również szansa na testowanie potencjalnych leków w środowisku maksymalnie zbliżonym do ludzkiego mózgu, zanim trafią one do organizmu pacjenta.

Przeczytaj także: Mózg zdradza tajemnice. Naukowcy podsłuchali mowę neuronów