Hirn-organoids—auch als mini-Gehirne—sind 3-D-cellular-Modelle, die für Aspekte des menschlichen Gehirns im Labor. Hirn-organoids helfen Forscher verfolgen die menschliche Entwicklung, enträtseln die molekularen Ereignisse, die zu Krankheit führen, und testen Sie die neuen Behandlungen. Sie sind nicht perfekt Replikate, natürlich. Hirn-organoids nicht replizieren, die kognitive Funktion, aber können die Forscher überprüfen, wie sich ein organoid physischen Struktur oder expression der gene über die Zeit verändert, oder als Folge eines virus oder eine Droge.
Universität von Kalifornien-San Diego-Forscher haben jetzt durch die Hirn-organoids einen Schritt weiter, erreichen ein nie dagewesenes Niveau der neuronalen Aktivität des Netzwerks—elektrische Impulse, die aufgezeichnet werden können, die von multi-Elektroden-arrays. Unter Verwendung der Daten von Neugeborenen bis zu drei-und-ein-halb Monate verfrüht, entwickelte das team einen Algorithmus, um vorherzusagen, in Ihrem Alter, basierend auf EEG-Muster. Der Algorithmus dann Lesen, lab-grown-Hirn-organoids die gleiche Weise, und wies Ihnen ein Alter.
Der elektrische Impuls, Muster für neun Monate alten Hirn-organoids offenbart ähnliche Eigenschaften zu denen eines Frühgeborenen Kindes, die erreichte volle Laufzeit (40 Wochen Schwangerschaft).
Diese neue, optimierte Hirn-organoids, beschrieben in der August 29, 2019 Ausgabe von Cell Stem Cell, kann es möglich machen, für Forscher, die Studie, psychische Krankheiten, nicht verursacht durch oder infolge erkennbaren physiologischen Veränderungen, sondern beinhalten Störungen in der Gehirn-Zelle Aktivität des Netzwerks, wie Autismus oder Epilepsie. Für viele von diesen Bedingungen, es gibt keine relevanten Labor-oder Tiermodell.
„Wir konnten es nicht glauben zuerst, wir dachten, unsere Elektroden waren fehlerhaft“, sagte co-senior-Autor Alysson R. Muotri, Ph. D., professor von Kinderheilkunde und zelluläre und molekulare Medizin an der UC San Diego School of Medicine. „Denn die Daten waren so Auffällig, ich denke, viele Leute waren skeptisch, und das ist verständlich.“ Muotri führte die Studie mit Bradley Voytek, Ph. D., associate professor of cognitive science der UC San Diego, Division of Social Sciences.
Gehirn-organoide Konstruktion beginnt mit einer vielleicht überraschenden Quelle: ein Erwachsener Probe der Haut entnehmen. Im Labor, Forscher wandeln Hautzellen in induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs). Wie die meisten Stammzellen, mit den richtigen cocktail von molekularen Faktoren, iPSCs können gerichtet werden, um sich zu spezialisieren, sich in jeden Zelltyp. In diesem Fall, werden Sie zu Zellen des Gehirns—verschiedene Arten von Neuronen und glia, zum Beispiel.
An der UC San Diego, Hirn-organoids wurden verwendet, um produzieren den ersten direkten experimentellen Beweis, dass die Brasilianische Zika-virus kann zu schweren Missbildungen und zu nutzen, bestehende HIV-Medikamente für eine seltene, erblich bedingte neurologische Erkrankung. Muotri und team auch vor kurzem an Ihrer Hirn-organoids auf der Internationalen Raumstation zu testen, den Effekt der Schwerelosigkeit auf die Entwicklung des Gehirns—und vielleicht auch Perspektiven für das menschliche Leben außerhalb der Erde.
In der neuesten Studie, Muotri und Kollegen optimiert jeden Schritt der Gehirn-organoide Konstruktion. Zum Beispiel, haben Sie angefangen von der einzelnen Zelle, sondern als die Klumpen von Zellen, die in den meisten Protokolle. Sie auch optimiert, der genaue Zeitpunkt und der Konzentration der Faktoren Hinzugefügt, um die Eingabeaufforderung Gehirnzellen-Organisation. Es gab nicht einen einzigen geheimen Zutat oder innovation, sagte er, sondern einige Verbesserungen im Laufe der Zeit.
Die Optimierung hat sich gelohnt in Bezug auf die zelluläre Vielfalt-und Mobilfunk-Aktivität. Zum Beispiel, das team hat erkannt, dass eine bestimmte Primaten-spezifischen Neuronen, genannt kortikalen Gabaergen Neurons, das war noch nie generiert, die in einem Labor Gericht. Nach Muotri, diese Zellen sind wichtige Akteure in der Komplexität der neuronalen Netze.
Zur Messung der zellulären Aktivität des Netzwerks, die Forscher wuchs Ihre neu optimierte Hirn-organoids auf multi-Elektroden-arrays. Die Elektroden Erfassung und Aufzeichnung elektrischer Impulse, die erscheinen, als Muster von Wellen und spikes im EEG ablesen. Mit dem neuen Protokoll, das Hirn-organoids ging aus der Produktion von 3,000 spikes pro minute bis zu 300.000 spikes pro minute.
Bei Menschen, die Oszillationen mit dem Alter ändern, als Gehirnzellen-verbindungen entwickelt. Neugeborenes baby Gehirne neigen dazu, Zeiten der Ruhe (keine Wellen) zwischen Spitzen der elektrischen Aktivität. Diese ruhigen Perioden werden immer kürzer und kürzer, da das Gehirn entwickelt. In der Zeit, die Aktivität des Gehirns konstant wird, obwohl Ebenen variieren. Diese Gehirn Schwingungsmustern oft korrelieren mit der menschlichen Wahrnehmung und Krankheit Staaten.
Muotri und Mannschaft gegenüber, die Ihre Gehirn-organoide die elektrische Muster, die in einem öffentlich verfügbaren Datensatz von 567 EEG-Aufzeichnungen von 39 Frühgeborene, die zwischen 24 und 38 Wochen der Schwangerschaft und für einige Wochen nach der Geburt. Von Ihren ersten Tagen bis zu neun Monaten, die Hirn-organoids, die ähnliche Niveaus der elektrischen Aktivität nach einem ähnlichen Muster: weniger ruhig mal häufiger in elektrische Impulse um.
Muotri, sagte er oft gefragt, über die ethischen Implikationen dieser Arbeit, mit Fragen wie: „Sind wir immer zu schließen, um neu zu erstellen das menschliche Gehirn?“ Diese Hirn-organoids dramatisch unterscheiden sich von menschlichen Gehirnen in vielerlei Hinsicht, erklärte er. Zum Beispiel, Sie sind mehrere Male kleiner als die eines Erwachsenen menschlichen Gehirns. Sie haben nicht Hemisphären oder Blutgefäße. Und Sie sind nicht umgeben von schützenden Schädel oder an anderen Geweben.
„Sie sind bei weitem nicht funktional äquivalent zu einer vollen cortex, sogar in einem baby“, sagte Muotri, der auch Direktor der UC-San Diego Stammzell-Programm und ein Mitglied der Sanford Consortium for Regenerative Medicine. „In der Tat, wir haben noch nicht einmal eine Möglichkeit, selbst zu Messen, Bewusstsein oder Empfindungsvermögen.“
Muotri ‚ s Hirn-organoids können jahrelang Leben im Labor, sondern Ihre Tätigkeit plateaus auf neun Monate. Er sagte, eine Reihe von Gründen, die gelten könnte, einschließlich das fehlen von Blutgefäßen oder die Notwendigkeit für zusätzliche Neuronen und sich weiter entfalten.
Die bessere Hirn-organoids replizieren kann, die das menschliche Gehirn im Labor, Muotri sagte, desto weniger werden die Forscher verlassen müssen auf Tiermodelle und fetalen Gewebe besser zu verstehen und die Behandlung menschlicher Erkrankungen.