Querschnitt einer Gehirn-organoide.Bild: Trujillo et al., 2019, Cell Stem Cell
Eine Möglichkeit, dass Wissenschaftler können nicht-invasiv Studie das menschliche Gehirn ist durch den Anbau von “mini-Gehirne” Haufen Gehirnzellen, die jeweils etwa die Größe einer Erbse, im Labor. In eine faszinierende Weiterentwicklung dieser Linie der Forschung, die ein team in dieser Woche berichtet, dass Sie beobachtet menschlichen Gehirnwellen von diesen organoids.
Frühere Studien von mini-Gehirnen haben gezeigt, Bewegungs-und Nerven-Trakt Entwicklung, aber die neue Studie von Forschern an der University of California San Diego, geführt von dem Biologen Alysson Muotri, ist der erste Datensatz der Mensch-wie die neuronale Aktivität. In Ihrem Papier, veröffentlicht in Cell Stem Cell am Donnerstag, schreiben die Forscher, dass Sie beobachtet brain-wave-Muster, ähnlich denen eines sich entwickelnden Menschen. Diese Raffinesse in der in-vitro-Modell ist ein Schritt, damit die Wissenschaftler mit einem mini-Gehirne zu studieren, die Entwicklung des Gehirns, Modell-Erkrankungen, und erfahren Sie mehr über die evolution von Gehirnen, nach Muotri.
“Wir sind gut [im Studium] Krebs, wir sind die guten [zu studieren], wird das Herz,” Muotri sagte Gizmodo per Telefon. “Aber das Gehirn hat schon im Rückstand.”
Erstellen Sie diese mini-Gehirne, technisch als organoids, nahmen die Forscher pluripotente menschliche Stammzellen und führte Sie in eine nährstoffreiche Petrischale nachahmen der Umwelt, in der unsere eigenen Gehirne zu entwickeln. Aufgrund der pluripotenten Natur der Stammzellen—das heißt, Sie haben das potential zu einer beliebigen Anzahl von verschiedenen Zellen—diese Zellen werden könnte, stieß in der Entwicklung einer 3D-Struktur, erinnert an einen sich entwickelnden menschlichen Gehirns, obwohl viel kleiner. In rund zwei Monaten der Entwicklung, das team begann zu bemerken, dass spikes von neuronaler Aktivität aus dem Netz wie noch nie zuvor beobachtet.
Zehn Monate alte Hirn-organoids, die jeweils etwa die Größe einer Erbse.Foto: Trujillo et al., 2019, Cell Stem Cell
Wenn Sie das team begann zu bemerken, dass diese intermittierende platzt der elektrischen Aktivität, Sie waren nicht ursprünglich auf der Suche nach Gemeinsamkeiten zwischen Ihrem Modell und menschliche Säuglinge, co-Autor und Doktorand Richard Gao sagte Gizmodo in einer E-Mail.
“Wir sahen, dass ein hervorstechendes Merkmal dieser organoide Schwingungen ist, dass Sie in bursts: das Netzwerk inaktiv ist, die meisten der Zeit, und jeder 10-20 Sekunden oder so, ein Anfall von Aktivität würde spontan auftreten,” Gao sagte. “Es erinnert an ein feature bei Frühgeborenen, genannt trace discontinu, in dem das Kind das EEG ist sehr inaktiv, die meisten der Zeit, unterbrochen von starken, oszillierenden Transienten. Also, wenn Sie anrufen musste es ein bestimmtes feature, ich denke, es würde die Tatsache sein, dass die Schwingungen, die kommen und gehen…. Wir waren wirklich froh, an dieser Stelle finden Sie ein dataset-reporting, diese Funktionen in der Frühgeborenen-EEG.”
Das team trainiert ein machine-learning-Algorithmus zu erkennen prominenten features in der Frühgeborenen-EEGs und Bewertung der zerebralen organoids für Gemeinsamkeiten. Der Algorithmus war in der Lage vorherzusagen, wie viele Wochen die organoids entwickelt hatte, in der Kultur, und bei zwischen 25 und 40 Wochen der organoid Entwicklung, der Algorithmus konnte nicht mehr unterscheiden zwischen den organoids und die Säuglings-EEG, Muotri sagte Gizmodo.
Aber, Muotri geklärt, dieser Vergleich zwischen den beiden war nicht unbedingt eins-zu-eins. Es gibt bestimmte Merkmale und Einschränkungen von Frühgeborenen-EEGs einschließlich der Auswirkungen der Dicke einer sich entwickelnden menschlichen Schädels hat die auf Lesarten, die unterscheiden sich von Labor-gewachsen organoids. Für den Zweck der Studie, Muotri sagt das team ausgelassen diesen nicht vergleichbaren Variablen.
Wirklich verfestigen diese Ergebnisse, aber Forscher sagen, dass diese Unterschiede zwischen den Säuglings-EEG und die organoid müssen in Einklang gebracht werden.
“Ich denke, es ist nicht möglich zu sagen, wie ähnlich sich die organoide Aktivität ist zu früh-EEG,” Arnold Kriegstein, ein Neurologe von der Universität von Kalifornien, San Francisco, die nicht dazu beitragen, die neue Studie, sagte Gizmodo in einer E-Mail. “Die Entwicklung der spontanen Aktivität in organoids ist sehr interessant und die Ermittler haben überzeugend gezeigt, dass dies abhängig von der neuronalen Aktivität. Aber, organoids sind so unterschiedlich vom tatsächlichen Entwicklung von cortex, die, auch wenn die Phänomenologie ist ähnlich, wir müssen noch bessere Beweise, dass die zugrunde liegenden Mechanismen sind die gleichen…. Es ist wie äpfel mit Birnen vergleichen: auch wenn Sie sind beide Obst, Sie sind nicht das gleiche.”
Dennoch Kriegstein nicht sagen, dass diese Forschung ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Beantwortung dieser Fragen.
Eine andere Frage, dass dieses experiment und andere, wie es erhöhen, sagte Muotri, ist, ob die mini-Gehirne kann als bewusste und welche ethischen Probleme könnten entstehen in der Zukunft. Während Kriegstein behauptet, dass die organoids wurden nicht entwickelt genug, um sich als bewussten, Muotri sagte, er kann nicht sicher sein, so oder so.
“Meine ursprüngliche Antwort war zu sagen, ‘ich glaube nicht’, aber die Wahrheit ist, wir haben keine Beweise so oder so,” Muotri sagte Gizmodo. “Wir haben noch nicht einmal Methoden, um dies zu testen.”
Nähern diese Frage, Muotri Pläne zu einem treffen an der UC San Diego im Oktober dieses Jahres mit Wissenschaftlern, Philosophen und Ethiker diskutieren die ethische Zukunft solcher Technologien.
“Meine Tendenz ist immer zu sagen, als mit jeder anderen Technologie, nehmen Bluttransfusionen oder Organtransplantationen, oder auch normale Autos,” Muotri sagte. “Dies alles sind Technologien, die verwendet werden können für gute und schlechte, aber wir als Gesellschaft, wir sehen die guten und die schlechten… Und ich denke, Hirn-organoids in die gleiche Richtung.”
Sarah Wells ist ein freiberuflicher Schriftsteller in Boston schreiben über die Schnittstelle von Technologie, Wissenschaft und Gesellschaft. Folgen Sie Ihr auf Twitter: @saraheswells.
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