Ludzkie organoidy mózgowe, czyli hodowane w laboratorium trójwymiarowe mikromodele mózgu ludzkiego, po przeszczepieniu do kory mózgowej myszy reagują na bodźce wzrokowe - podobnie, jak otaczająca je tkanka nerwowa - wykazali naukowcy z USA.
Artykuł na ten temat publikuje najnowsze wydanie "Nature Communications".
Ludzkie organoidy mózgowe są hodowane w laboratorium z indukowanych ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC), które uzyskuje się przeważnie z dojrzałych komórek różnych tkanek. Organoidy te mogą pomóc w badaniach nad rozwojem mózgu a także nad wadami wrodzonymi mózgu czy chorobami neurologicznymi i neurodegeneracyjnymi. Jest to możliwe dlatego, że odtwarzane są w nich częściowo procesy rozwoju kory mózgowej, powstają też obszary odpowiadające różnym obszarom w mózgu ludzkim. Co więcej, aktywność elektryczna neuronów w takich organoidach przypomina aktywność typową dla ludzkiego mózgu.
W najnowszych badaniach naukowcy z University of California w San Diego wykazali, że wszczepione do mysiego mózgu organoidy utworzyły czynnościowe połączenia z neuronami kory mózgu gryzoni oraz że zaczęły reagować na zewnętrzne bodźce wizualne w podobny sposób do otaczającej je tkanki.
Obserwowanie tego na żywo przez kilka miesięcy było możliwe dzięki zastosowaniu nowych technologii. Po pierwsze badacze umieścili na wszczepionych organoidach sieć przezroczystych elektrod grafenowych o niskiej impedancji (niska impedancja została uzyskana dzięki nanocząsteczkom platyny). Rejestrowały one w czasie rzeczywistym aktywność neuronów - zarówno tych obecnych w organoidach, jak i w otaczającej je tkance kory mózgowej myszy. Elektrody pozwoliły zobrazować aktywność pojedynczych neuronów, jak i ich aktywność w całym obszarze (w makroskali). Bodźcem wzrokowym było białe światło LED. Badacze zastosowali je, podczas gdy myszy obserwowano pod mikroskopem dwufotonowym (pozwala on obserwować na żywo tkanki do grubości 1 mm).
Aktywność elektryczna neuronów rozprzestrzeniała się w organoidach od obszaru położonego najbliżej kory wzrokowej poprzez powstałe czynnościowe połączenia nerwowe. Dalsze obserwacje aktywności neuronów tworzących organoidy utwierdziły naukowców w tym, że trzy tygodnie po wszczepieniu wytworzyły one połączenia synaptyczne z neuronami kory mózgowej myszy. Doświadczenia kontynuowane przez 11 tygodni potwierdziły, ze doszło do czynnościowej i morfologicznej integracji wszczepionych organoidów z korą mózgu.
Dzięki zastosowaniu mikroskopii dwufotonowej naukowcy wykazali również, że naczynia krwionośne myszy wrastały do organoidów, dostarczając im niezbędne składniki odżywcze i tlen.
Zdaniem pierwszej autorki pracy dr Madison Wilson w żadnym innym badaniu nad organoidami mózgowymi nie udało się jednocześnie zarejestrować aktywności elektrycznej neuronów i zobrazować tkanek. Nasze eksperymenty ujawniają, że bodźce wzrokowe wywołują odpowiedź elektrofizjologiczną w organoidach, która odpowiada reakcji otaczającej je kory mózgu - skomentowała badaczka.
Jak podkreśliła współautorka pracy Duygu Kuzum, kierująca zespołem prowadzącym doświadczenia, ten model badawczy stwarza niebywałe możliwości obserwowania zaburzeń funkcjonowania sieci ludzkich neuronów, które leżą u podłoża wad rozwojowych mózgu i chorób neurologicznych. Umożliwia on również badanie organoidów mózgowych jako potencjalnych protez pozwalających przywrócić czynność zdegenerowanych, uszkodzonych czy utraconych obszarów mózgu.