Как мозговые органоиды раскрывают то, что действительно делает людей уникальными

Мадлен Ланкастер создала первые мозговые органоиды, которые произвели революцию в нашем понимании работы мозга, но также подняли этические вопросы.

С тех пор, как Мадлен Ланкастер впервые создала мозговые органоиды в 2013 году, они стали широко использоваться для исследований мозга по всему миру. Но что же они собой представляют? Являются ли они, по сути, миниатюрными мозгами в пробирках? Можно ли, имплантировав их животным, создать сверхумных мышей? Насколько мы близки к пересечению этических границ? Майкл Ле Пейдж посетил Ланкастер в её лаборатории в Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского центра в Кембридже, Великобритания, чтобы выяснить это.

Майкл Ле Пейдж: Можете ли вы объяснить, что такое мозговой органоид? Это мини-мозг?

Мадлен Ланкастер: Это вовсе не миниатюрные мозги. Существует множество различных типов органоидов. Человеческий мозг состоит из множества частей, и мы создаём органоид из одной части, или, может быть, из двух. Они очень маленькие и незрелые. Они не похожи на полноценный человеческий мозг с памятью. По размеру органоиды похожи на мозг насекомого. Но им не хватает организации, как у мозга насекомого. Я бы, пожалуй, поставил их ниже насекомых.

Как вам удалось вырастить первые мозговые органоиды?

Я начала работать с эмбриональными клетками мозга мышей, помещая их в чашку Петри для роста. Некоторые клетки не прикрепились к чашке, как им положено. Они оторвались и начали прикрепляться друг к другу, образуя прекрасные самоорганизующиеся клеточные шары, напоминающие ранние стадии развития мозговой ткани. Позже мы смогли проделать то же самое с эмбриональными стволовыми клетками человека.

Почему создание мозговых органоидов стало таким большим прорывом?

Человеческий мозг уникален, он делает нас такими, какие мы есть. Он долгое время оставался чёрным ящиком. Если взглянуть на мышь, мы просто не сможем охватить всю сложность человеческого мозга. Органоиды мозга внезапно открыли окно в этот чёрный ящик.

Можете ли вы привести пример?

Одним из первых наших экспериментов с органоидами мозга было моделирование заболевания под названием микроцефалия, при котором мозг слишком мал. Если ввести ту же мутацию мышам, размер мозга не изменится. Мы решили проверить, сможем ли мы наблюдать уменьшение размера органоидов человеческого мозга. Мы смогли, и мы также смогли узнать что-то новое об этом заболевании.

Что самое важное мы узнали на данный момент из органоидов мозга?

Мы начали понимать, что делает человеческий мозг уникальным. Меня очень воодушевляет открытие, что человеческие стволовые клетки, из которых формируются нейроны, ведут себя иначе, чем у мыши или даже шимпанзе. Похоже, наша уникальность заключается в том, что мы развиваемся гораздо медленнее. Стволовым клеткам требуется больше времени для роста и образования новых стволовых клеток, поэтому в итоге у нас оказывается гораздо больше нейронов.

Будет ли подобная работа иметь практическое применение?

Многие из фундаментальных биологических исследований, которыми мы занимаемся, имеют важное значение для лечения заболеваний. Моя лаборатория в основном занимается вопросами эволюции, генетическими различиями между людьми и шимпанзе. Но появляющиеся гены связаны с человеческими заболеваниями, что вполне логично, ведь если что-то важно для развития человеческого мозга, то при мутации оно, вероятно, вызовет заболевание.

Какие методы лечения, по вашему мнению, появятся из этого?

В ближайшей перспективе мы увидим, как органоиды мозга будут использоваться для скрининга наркотиков. Меня особенно воодушевляют психические расстройства или нейродегенеративные заболевания, для которых у нас нет новых методов лечения. Я имею в виду, что мы всё ещё лечим шизофрению препаратами 50-летней давности. Модели органоидов мозга, как мы надеемся, могут дать нам новые возможности. В долгосрочной перспективе сами органоиды могут стать методом лечения. Возможно, не для всех областей мозга, не для гиппокампа или лобной доли — частей мозга, которые хранят наши воспоминания и делают нас теми, кто мы есть. Но с такими вещами, как дофаминергические нейроны в чёрной субстанции, которая теряется при болезни Паркинсона, мы могли бы создавать органоиды, а затем трансплантировать их.

Я правильно понимаю, что органоиды человеческого мозга уже имплантируются в мозг животных?

Да, не в качестве терапии, а для улучшения человеческих органоидов. У органоидов отсутствует сосудистая сеть и другие типы клеток, поступающие извне мозга, в частности, микроглия, иммунные клетки мозга. Поэтому, чтобы изучить, как эти клетки взаимодействуют с тканью человеческого мозга, другие группы начали трансплантировать органоиды мышам.

Стоит ли нам беспокоиться о помещении человеческих органоидов в организм животного?

Функция нейрона — взаимодействовать с другими нейронами. Поэтому, если поместить органоид человеческого мозга в мозг мыши, можно увидеть, как эти клетки взаимодействуют с мышкой. Но они просто не организованы. После трансплантации у этих мышей ухудшаются когнитивные показатели. Это как будто короткое замыкание в их мозге. Так что суперумную мышь не вырастишь.

Сможем ли мы достичь точки, в которой это действительно улучшит познавательные способности?

Мы довольно далеко. Наше мышление высшего порядка связано с тем, как связаны различные части мозга, как отдельные нейроны соединяются друг с другом, как группы нейронов соединяются с другими группами, и как целые области мозга соединяются с другими областями мозга. Речь идет об этой целой структуре. Так что, если станет возможным создать что-то, организованное таким образом, возможно. Но вы все еще сталкиваетесь с проблемами, такими как время. Мышь живет всего около двух лет, но людям требуется больше двух лет, чтобы стать очень разумными существами. И еще один момент — размер. Человеческий мозг настолько удивителен, потому что он такой большой. Невозможно втиснуть мозг человеческого размера в мышь. Так что по многим вопросам такого рода, я думаю, нам, вероятно, не придется беспокоиться о них в ближайшем будущем.

Что касается размера, главным ограничением является отсутствие кровеносных сосудов, из-за чего органоиды начинают отмирать уже при диаметре всего в несколько миллиметров. Насколько развит прогресс в преодолении этого ограничения?

Я не хочу преуменьшать наши достижения, но, как оказалось, мозговую ткань довольно легко создать. Она развивается сама. Сосудистая система гораздо сложнее. Ученые уже добились успехов в использовании сосудистых клеток. Но до полноценной функциональной перфузии крови ещё далеко.

Когда вы говорите «далеко»…

Я бы сказал, десятилетия. Звучит не так уж сложно, правда? Тело прекрасно справляется. Но это всё тело работает вместе, так что, если вы хотите васкуляризировать органоид, ему нужно тело. Мы не собираемся в ближайшее время создавать целое тело в пробирке.

Если нам удастся этого добиться, можно ли будет создать полноценный мозг?

Даже если бы у вас был полностью сформированный, васкуляризированный большой человеческий мозг, развивающийся в пробирке, если у него нет ни входа, ни выхода, ему не о чем думать. Мы знаем, что если глаза животного закрыты во время развития, а затем открыты позже, глаза все равно работают нормально, но мозг не может интерпретировать визуальную информацию, и животное функционально слепо. Это относится ко всем чувствам и ко всему, с чем мы взаимодействуем в мире. Я бы сказал, что вам действительно нужно тело в какой-то момент вашего развития, чтобы быть сознательным. Есть пациенты, которые теряют сенсорную информацию и испытывают синдром запертого человека, и это ужасно. Но это люди, у которых было тело, у которых были развиты связи с близкими. Если мозг никогда ничего не испытывал, то ему не о чем думать.

Поскольку органоиды мозга становятся все более совершенными, как мы можем определить, где проходит граница, которую не следует пересекать?

Эта область может довольно сильно зациклиться на том, как вы определяете и измеряете сознание. Я не уверен, что мы когда-либо достигнем соглашения по этому вопросу, потому что я даже не знаю, есть ли у вас сознание — я знаю только, что я им являюсь. Но мы можем сказать, что есть и другие вещи, которые мы можем измерить, необходимые для сознания, такие как организация, ввод и вывод, зрелость и размер. Мышь может соответствовать многим из этих критериев, но мы не верим, что у нее такой же уровень сознания, как у человека, и большая его часть — это размер. Так что даже если мы создадим человеческие органоиды, которые полностью подключены, пока они маленькие, у них не будет сознания человеческого уровня. Такие критерии — более практичный путь вперед, чем попытки измерить сознание.

Источник: www.newscientist.com