Oamenii de ştiinţă au crescut ţesut cerebral uman în interiorul unor şoareci

Cel mai mare obstacol în înţelegerea creierului uman este chiar omul. Oamenii de ştiinţă nu pot interveni pur şi simplu asupra materiei cenuşii a unei persoane în timp ce acea persoană încă are nevoie de ea.

Din acest motiv, multe dintre procesele implicate în dezvoltarea şi conectarea creierului, precum şi mecanismele prin care acestea se pot deregla, sunt încă insuficient înţelese.

Cercetătorii au petrecut ani de zile căutând alte modalităţi de a studia ţesutul cerebral uman, de la celule cultivate în laborator până la mici structuri tridimensionale numite organoizi. Însă chiar şi cei mai sofisticaţi organoizi au ceva esenţial care le lipseşte – corpul pe care un creier îl coordonează în mod normal.

Acum, cercetătorii în neuroştiinţe de la Universitatea Stanford au făcut un pas important spre rezolvarea acestei probleme. Ei au crescut ţesut cortical uman în interiorul unor şoareci al căror cortex cerebral – stratul exterior al creierului – fusese în mare parte eliminat genetic în primele etape ale dezvoltării.

În decurs de trei luni, ţesutul uman se extinsese astfel încât reprezenta peste 90% din volumul ţesutului cortical. În acel moment, acesta conţinea vase de sânge, se conectase la sistemul nervos al şoarecilor, devenise activ din punct de vedere electric şi trimisese unele proiecţii nervoase până la nivelul măduvei spinării.

„Cel mai important aspect este că aceştia sunt în continuare şoareci”, a declarat pentru ScienceAlert neurologul Sergiu Paşca de la Universitatea Stanford.

„Au un sistem nervos de şoarece, organe senzoriale de şoarece şi structuri subcorticale de şoarece. Ceea ce este neobişnuit este faptul că cea mai mare parte a ţesutului cortical prezent la aceste animale este de origine umană, iar neuronii umani cresc, se integrează şi formează conexiuni funcţionale cu restul sistemului nervos al şoarecelui.”

Organoizii cerebrali au devenit foarte sofisticaţi

În ultimii ani, oamenii de ştiinţă au făcut progrese importante în dezvoltarea organoizilor cerebrali.

În prezent, cercetătorii pot creşte aglomerări de ţesut cerebral care conţin o gamă largă de tipuri de celule întâlnite în sistemul nervos uman aflat în dezvoltare. Ei pot chiar combina organoizi care reprezintă regiuni diferite ale creierului în structuri mai complexe, numite asambloizi.

Dar există o limită în ceea ce poate oferi o cutie Petri. Un organoid izolat nu are o sursă proprie de sânge, nu primeşte informaţii senzoriale pe care să le proceseze şi nu are muşchi pe care să-i coordoneze.

Aceasta este o problemă pe care Paşca şi colegii săi încearcă să o rezolve de mulţi ani. În 2022, echipa a transplantat organoizi corticali umani în şobolani nou-născuţi, unde neuronii umani s-au maturizat, s-au integrat în creierul şobolanilor şi chiar au răspuns la informaţiile senzoriale provenite de la mustăţile acestora.

Însă exista încă o problemă. Neuronii umani se dezvoltă mult mai lent decât neuronii rozătoarelor. Cele două sisteme aflate în dezvoltare concurau pentru acelaşi spaţiu. Prin urmare, cercetătorii au eliminat competiţia.

Pentru această, echipa a modificat genetic şoarecii astfel încât cea mai mare parte a cortexului cerebral şi a hipocampului să nu se dezvolte niciodată. Cercetătorii au numit aceste animale şoareci „apalliali”.

Unii au fost crescuţi astfel până la vârsta adultă. Alţii au primit transplanturi de organoizi corticali umani la scurt timp după naştere, creând ceea ce cercetătorii numesc şoareci „xenocorticali”.

Pe măsură ce şoarecii au crescut şi s-au maturizat în lunile următoare, grefele au crescut odată cu ei, extinzându-se considerabil în spaţiul cortical rămas liber.

Ţesutul rezultat nu era o replică a cortexului uman. Chiar şi după aproximativ şase luni, acesta rămânea imatur din punct de vedere al dezvoltării, fiind aproximativ comparabil cu cortexul uman aflat la jumătatea perioadei de gestaţie şi neavând straturile organizate ale unui cortex matur.

Chiar şi aşa, ţesutul a început să producă neuroni pe care cercetătorii întâmpinaseră dificultăţi în a-i genera în alte modele.

Printre aceştia se numărau neuronii extratelencefalici din stratul 5 (L5-ET), neuroni cu proiecţii pe distanţe lungi care, în mod normal, conectează cortexul cu regiuni îndepărtate ale sistemului nervos.

În cadrul acestei populaţii, cercetătorii au identificat şi celule asemănătoare neuronilor von Economo (VEN) – neuroni neobişnuiţi, alungiţi, întâlniţi în anumite regiuni ale creierului uman şi care s-au dovedit deosebit de dificil de reprodus în laborator. În mod remarcabil, aceştia nu fuseseră identificaţi în studiul anterior realizat pe şobolani.

Ce anume din creierul şoarecelui favorizează dezvoltarea lor?

„Încă nu ştim, iar eu cred că aceasta este una dintre cele mai interesante întrebări ridicate de acest studiu”, a spus Paşca.

„Este posibil ca accesul neuronilor corticali umani la ţinte aflate la distanţă, în alte părţi ale sistemului nervos, să le ofere semnale dificil de reprodus într-un organoid crescut într-o cutie Petri.

O altă posibilitate este existenţa unor factori prezenţi în mediul viu, dar absenţi din organoizii crescuţi în laborator. Aceştia ar putea include factori trofici sau de creştere, semnale asociate activităţii neuronale, vascularizare sau alte interacţiuni cu celulele din jur.”

Dar să afli ce se întâmplă cu ţesutul cerebral uman reprezenta doar jumătate din problemă. Cealaltă întrebare era: ce efect are acesta asupra şoarecilor?

Pentru a afla, cercetătorii au supus trei grupuri de şoareci – un grup normal, nemodificat genetic, şoareci apalliali fără grefă şi şoareci xenocorticali – unui test într-un labirint în formă de Y.

Motivul este că şoarecii preferă în mod natural să exploreze un braţ diferit al labirintului faţă de cel pe care tocmai l-au vizitat. Prin urmare, capacitatea de a-şi aminti unde au fost deja reprezintă un test simplu al memoriei de lucru.

Şoarecii din grupul de control s-au descurcat mai bine decât ar fi fost de aşteptat prin simpla şansă. Şoarecii apalliali nu au făcut-o, ceea ce sugerează că, în absenţa celei mai mari părţi a cortexului şi hipocampului, aceştia au avut dificultăţi în a-şi aminti braţul pe care tocmai îl exploraseră.

Şoarecii xenocorticali, însă, au obţinut şi ei rezultate peste nivelul aşteptat prin şansă.

„Este un rezultat intrigant, în special pentru că şoarecii apalliali nu au prezentat aceeaşi performanţă”, a spus Paşca. „Dar trebuie să fim prudenţi în a concluziona doar pe baza acestui rezultat că neuronii umani sunt direct responsabili pentru comportament.”

Aceasta este o întrebare care va trebui analizată în cercetările viitoare.

Un nou model pentru studierea bolilor neurologice

Deocamdată, cercetarea răspunde unei întrebări mai fundamentale pe care oamenii de ştiinţă încercau să o clarifice – nu „pot celulele cerebrale umane să-i facă pe şoareci să se descurce mai bine în labirinturi?”, ci „pot grefele de creier uman introduse în şoareci să ne ofere o modalitate de a studia ce se întâmplă atunci când creierul se îmbolnăveşte?”

Iar acest lucru ar putea avea aplicaţii importante.

„O direcţie evidentă este demenţa frontotemporală. Deoarece putem genera acum neuroni asemănători neuronilor von Economo (VEN) în acest sistem, putem obţine organoizi corticali de la pacienţi, pentru a verifica dacă aceşti neuroni rari prezintă o vulnerabilitate selectivă şi a testa dacă anumite intervenţii candidate îi pot proteja”, a explicat Paşca.

„În cazul epilepsiei, putem analiza dacă neuronii umani asociaţi bolii generează activitate anormală în circuitele neuronale sau crize şi dacă aceste anomalii pot fi corectate prin tratament.

În cazul autismului şi al altor tulburări de neurodezvoltare, putem analiza dacă anumite modificări ale circuitelor corticale umane duc la consecinţe funcţionale sau comportamentale reproductibile la animale.”

Întrebări etice

Integrarea ţesutului neural uman într-un alt animal la o asemenea scară ridică inevitabil şi întrebări etice dificile.

Echipa nu a aşteptat finalizarea experimentelor pentru a începe să le analizeze. Pe lângă evaluarea obişnuită a cercetării pe animale, Paşca a spus că în proces au fost implicaţi bioeticieni de la Stanford şi un comitet extern format din cercetători în neuroştiinţe, specialişti în etică, experţi în drept şi reprezentanţi ai pacienţilor.

Una dintre întrebări priveşte chiar animalele: dacă suferinţa acestora este justificată de tipul de cercetare realizat sau dacă informaţiile ar putea fi obţinute printr-o altă metodă.

„O altă întrebare importantă este dacă introducerea unor ţesuturi neuronale umane din ce în ce mai complexe într-un sistem nervos animal ar putea duce la apariţia unor proprietăţi neaşteptate, emergente sau noi, care să necesite o analiză etică suplimentară”, a spus Paşca.

„Am analizat în mod explicit această posibilitate şi am monitorizat atent animalele, atât din punct de vedere biologic, cât şi comportamental, pe măsură ce cercetarea a progresat.”

În acelaşi timp, există şi un cost etic dacă nu dezvoltăm modele mai bune pentru bolile neurologice şi psihiatrice.

„Tulburările neurologice şi psihiatrice afectează aproape una din cinci persoane, iar pentru multe dintre aceste afecţiuni încă nu înţelegem suficient de bine biologia de bază pentru a dezvolta tratamente eficiente”, a menţionat Paşca.

„Multe dintre aceste boli implică circuite neuronale umane şi consecinţe comportamentale care nu pot fi modelate în mod adecvat în modelele animale convenţionale sau în celulele umane izolate.”

Rezultatele studiului au fost publicate în revista Nature.