Οι επιστήμονες έχουν μεταμοσχεύσει με επιτυχία συστάδες ανθρώπινων νευρώνων στον εγκέφαλο νεογέννητων αρουραίων, ένα εντυπωσιακό επίτευγμα βιολογικής μηχανικής που μπορεί να προσφέρει πιο ρεαλιστικά μοντέλα για νευρολογικές καταστάσεις όπως ο αυτισμός και να χρησιμεύσει ως τρόπος αποκατάστασης τραυματισμένων εγκεφάλων.

Σε μια μελέτη που δημοσιεύθηκε την περασμένη εβδομάδα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ ανέφεραν ότι οι συστάδες ανθρώπινων κυττάρων, γνωστών ως «οργανοειδή», μεγάλωσαν σε εκατομμύρια νέους νευρώνες και ενσωματώθηκαν στο νέο νευρικό τους σύστημα. Μόλις τα οργανοειδή είχαν συνδεθεί στον εγκέφαλο των αρουραίων, τα ζώα μπορούσαν να λάβουν αισθητικά σήματα από τα μουστάκια τους και να βοηθήσουν στη δημιουργία σημάτων εντολών για να καθοδηγήσουν τις κινήσεις τους.

Ο Δρ Sergiu Pasca, ο νευροεπιστήμονας που ηγήθηκε της έρευνας, είπε ότι αυτός και οι συνάδελφοί του χρησιμοποιούν τώρα τους μεταμοσχευμένους νευρώνες για να μάθουν για τη βιολογία που κρύβεται πίσω από τον αυτισμό, τη σχιζοφρένεια και άλλες αναπτυξιακές διαταραχές.

«Αν θέλουμε πραγματικά να αντιμετωπίσουμε τη βιολογία αυτών των συνθηκών, θα χρειαστούμε πιο πολύπλοκα μοντέλα του ανθρώπινου εγκεφάλου», είπε ο Pasca.

Το 2009, μετά από εκπαίδευση στην ιατρική στη Ρουμανία, ο Pasca εντάχθηκε στο Stanford ως μεταδιδακτορικός ερευνητής για να μάθει πώς να δημιουργεί ανθρώπινους νευρώνες σε ένα πιάτο. Αυτός και οι συνεργάτες του πήραν κύτταρα δέρματος από εθελοντές και τα έλουσαν με χημικές ουσίες που τους έκαναν να αλλάξουν χαρακτήρα. Τώρα ήταν περισσότερο σαν εμβρυϊκά κύτταρα, τα οποία μπορούν να γίνουν οποιοσδήποτε ιστός στο σώμα.

Με την προσθήκη περισσότερων χημικών ουσιών, οι ερευνητές ώθησαν τα κύτταρα να εξελιχθούν σε νευρώνες. Στη συνέχεια, μπορούσαν να παρατηρήσουν παλμούς τάσης που καταρρίπτουν το μήκος των νευρώνων καθώς βρίσκονταν σε ένα πιάτο.

Ο Pasca και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν ξανά το ίδιο πείραμα, χρησιμοποιώντας αυτή τη φορά κύτταρα δέρματος από άτομα με σύνδρομο Timothy, μια σπάνια μορφή αυτισμού που προκαλείται από μια μόνο μετάλλαξη που οδηγεί σε σοβαρά καρδιακά προβλήματα, καθώς και σε εξασθενημένες γλωσσικές και κοινωνικές δεξιότητες.

Μεγαλώνοντας τους νευρώνες του συνδρόμου Timothy σε ένα πιάτο, ο Pasca μπορούσε να δει μια σειρά από διαφορές μεταξύ αυτών και των τυπικών νευρώνων. Παρήγαγαν επιπλέον ποσότητες χημικών ουσιών σηματοδότησης όπως η ντοπαμίνη, για παράδειγμα.

Αλλά η εξέταση μεμονωμένων κυττάρων θα μπορούσε να αποκαλύψει μόνο έναν περιορισμένο αριθμό ενδείξεων σχετικά με την πάθηση. Ο Pasca υποψιαζόταν ότι μπορούσε να μάθει περισσότερα μελετώντας χιλιάδες νευρώνες ενωμένους σε κυκλώματα που ονομάζονται εγκεφαλικά οργανοειδή.

Μια νέα χημική συνταγή επέτρεψε στον Pasca να μιμηθεί την κατάσταση μέσα στον αναπτυσσόμενο εγκέφαλο. Λουζόμενα σε αυτόν τον ζωμό, τα κύτταρα του δέρματος μετατράπηκαν σε προγονικά εγκεφαλικά κύτταρα, τα οποία με τη σειρά τους έγιναν κουβάρια νευρώνων που βρίσκονται στα εξωτερικά στρώματα του εγκεφάλου, που ονομάζονται φλοιός.

Σε μια μεταγενέστερη μελέτη, αυτός και οι συνάδελφοί του συνέδεσαν τρία οργανοειδή: ένα από φλοιό, ένα άλλο από νωτιαίο μυελό και ένα τρίτο από μυϊκά κύτταρα. Η διέγερση του οργανοειδούς του φλοιού προκάλεσε συστολή των μυϊκών κυττάρων.

Αλλά τα οργανοειδή απέχουν πολύ από το να είναι μικροσκοπικοί εγκέφαλοι. Πρώτον, οι νευρώνες τους παραμένουν σε ανεπάρκεια. Για άλλον, δεν είναι τόσο ηλεκτρικά ενεργοί όσο οι συνηθισμένοι νευρώνες σε έναν ζωντανό εγκέφαλο. «Είναι σαφές ότι υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί σε αυτά τα μοντέλα», είπε ο Pasca.

Οι επιστήμονες άρχισαν να βάζουν οργανοειδή σε ζωντανούς εγκεφάλους, θεωρώντας ότι ένα πιάτο Petri περιόριζε την ανάπτυξη ενός οργανοειδούς. Το 2018, ο νευροεπιστήμονας Fred Gage και οι συνεργάτες του στο Salk Institute for Biological Studies μεταμόσχευσαν οργανοειδή ανθρώπινου εγκεφάλου στον εγκέφαλο ενήλικων ποντικών. Οι ανθρώπινοι νευρώνες συνέχισαν να ωριμάζουν καθώς ο εγκέφαλος του ποντικιού τους τροφοδοτούσε με αιμοφόρα αγγεία.

Από τότε, ο Gage και άλλοι ερευνητές έχουν εμφυτεύσει οργανοειδή στο πίσω μέρος του εγκεφάλου, όπου τα ποντίκια αντιλαμβάνονται τα σήματα από τα μάτια τους. Όταν τα ζώα είδαν παλμικές λάμψεις λευκού φωτός, οι ανθρώπινοι-οργανοειδείς νευρώνες ανταποκρίθηκαν με τον ίδιο τρόπο που ανταποκρίθηκαν τα ίδια τα κύτταρα του ποντικιού, σύμφωνα με μια μελέτη που δημοσιεύθηκε στο διαδίκτυο τον Ιούνιο και δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από ομοτίμους.

Ο Pasca και η ομάδα του εργάζονταν επίσης σε οργανοειδείς μεταμοσχεύσεις, αλλά επέλεξαν να τις βάλουν σε νεαρά τρωκτικά παρά σε ενήλικες. Μία ή δύο μέρες μετά τη γέννηση ενός αρουραίου, οι επιστήμονες έκαναν ένεση ενός οργανοειδούς μεγέθους σπόρων παπαρούνας σε μια περιοχή του εγκεφάλου που ονομάζεται σωματοαισθητικός φλοιός, ο οποίος επεξεργάζεται την αφή, τον πόνο και άλλα σήματα από όλο το σώμα. Στους αρουραίους, η περιοχή είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στα σήματα από τα μουστάκια τους.

Οι ανθρώπινοι νευρώνες πολλαπλασιάστηκαν στον εγκέφαλο του αρουραίου έως ότου αριθμούσαν περίπου 3 εκατομμύρια, αποτελώντας περίπου το ένα τρίτο του φλοιού στη μία πλευρά του εγκεφάλου του αρουραίου. Κάθε κύτταρο στο οργανοειδές μεγάλωσε έξι φορές περισσότερο από ό,τι θα είχε σε ένα τρυβλίο Petri. Τα κύτταρα έγιναν επίσης ενεργά περίπου όσο οι νευρώνες στον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Ακόμη πιο εντυπωσιακό, τα ανθρώπινα οργανοειδή ενσωματώθηκαν αυθόρμητα στον εγκέφαλο του αρουραίου. Συνδέθηκαν όχι μόνο με κοντινούς νευρώνες, αλλά και με μακρινούς.

Αυτές οι συνδέσεις έκαναν τους ανθρώπινους νευρώνες ευαίσθητους στις αισθήσεις του αρουραίου. Όταν οι ερευνητές έριξαν ρουφηξιές αέρα πάνω από τα μουστάκια του αρουραίου, το ανθρώπινο οργανοειδές του έτριξε ως απάντηση.

Ο Pasca και οι συνεργάτες του έκαναν επίσης πειράματα για να δουν πώς τα οργανοειδή επηρέασαν τη συμπεριφορά των αρουραίων, χρησιμοποιώντας μια βρύση νερού στους θαλάμους τους.

Μετά από 15 ημέρες εκπαίδευσης, οι αρουραίοι έμαθαν ότι μπορούσαν να πάρουν ένα ποτό από το σιντριβάνι όταν το οργανοειδές τους διεγέρθηκε. Τα ανθρώπινα οργανοειδή προφανώς έστελναν μηνύματα στις περιοχές του εγκεφάλου των αρουραίων που αναζητούσαν ανταμοιβή.

Αυτά τα πειράματα ανάμειξης ειδών εγείρουν προκλητικά ηθικά ερωτήματα. Πριν ξεκινήσει το έργο, ο Pasca συμβουλεύτηκε ειδικούς στο Κέντρο Δικαίου και Βιοεπιστημών στο Στάνφορντ, οι οποίοι τον προέτρεψαν να δώσει ιδιαίτερη προσοχή στον πόνο και την ευημερία των ζώων.

«Δεν ανησυχείτε μόνο για το πόσα ποντίκια βρίσκονται σε ένα κλουβί ή για το πόσο καλά τρέφονται», είπε ο Henry Greely, καθηγητής νομικής στο Στάνφορντ. «Αυτό είναι ένα νέο είδος πράγματος. Δεν ξέρεις τι μπορεί να δεις».

Η ομάδα του Pasca δεν βρήκε κανένα στοιχείο ότι οι αρουραίοι βίωσαν πόνο, έγιναν επιρρεπείς σε επιληπτικές κρίσεις ή υπέστησαν απώλεια μνήμης ή ελέγχου των κινήσεών τους. «Αποδεικνύεται ότι οι αρουραίοι ανέχονται πολύ καλά το ανθρώπινο μόσχευμα», είπε ο Pasca.

Η Giorgia Quadrato, νευροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια που δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη, σημείωσε ότι τα ανθρώπινα οργανοειδή δεν έκαναν τους αρουραίους πιο ανθρώπινους. Σε τεστ μάθησης, για παράδειγμα, δεν σημείωσαν καλύτερη βαθμολογία από άλλους αρουραίους.

«Είναι αρουραίοι και παραμένουν αρουραίοι», είπε ο Quadrato. «Αυτό θα πρέπει να είναι καθησυχαστικό από ηθική άποψη».

Αλλά αυτό μπορεί να μην ισχύει εάν οι επιστήμονες έβαζαν ανθρώπινα οργανοειδή σε έναν στενό συγγενή των ανθρώπων, όπως έναν πίθηκο ή έναν χιμπατζή. «Θα ήταν μια καλή ευκαιρία να τεθούν κατευθυντήριες γραμμές για να λειτουργήσουμε στο σωστό ηθικό πλαίσιο στο μέλλον», είπε.

Ο Pasca είπε ότι η ομοιότητα μεταξύ πρωτευόντων και ανθρώπων μπορεί να επιτρέψει στα οργανοειδή να αναπτυχθούν περισσότερο και να αναλάβουν μεγαλύτερο ρόλο στις νοητικές διαδικασίες του ζώου. «Δεν είναι κάτι που θα κάναμε ή θα το ενθαρρύναμε», είπε.

Ο Pasca χρησιμοποιεί τα εμφυτευμένα οργανοειδή για να μελετήσει νευρολογικές διαταραχές. Σε ένα πείραμα, η ομάδα του Pasca εμφύτευσε ένα οργανοειδές από έναν ασθενή με σύνδρομο Timothy στη μία πλευρά του εγκεφάλου ενός αρουραίου και εμφύτευσε ένα άλλο οργανοειδές χωρίς τη μετάλλαξη στην άλλη πλευρά.

Και τα δύο οργανοειδή αναπτύχθηκαν στους αρουραίους. Αλλά οι νευρώνες του συνδρόμου Timothy ανέπτυξαν διπλάσιο αριθμό διακλαδώσεων για τη λήψη εισερχόμενων σημάτων, που ονομάζονται δενδρίτες. Επιπλέον, οι δενδρίτες ήταν πιο κοντοί.

Ο Pasca ελπίζει ότι θα μπορέσει να παρατηρήσει διαφορές στον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται οι αρουραίοι όταν μεταφέρουν εγκεφαλικά οργανοειδή από άτομα με αυτισμό και άλλες νευρολογικές παθήσεις. Τέτοια πειράματα θα μπορούσαν να βοηθήσουν να αποκαλυφθεί πώς ορισμένες μεταλλάξεις αλλάζουν τον τρόπο λειτουργίας του εγκεφάλου.

Ο Δρ Isaac Chen, νευροχειρουργός και ερευνητής οργανοειδών στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια που δεν συμμετείχε στην έρευνα, είδε μια άλλη πιθανότητα στη νέα μελέτη: την αποκατάσταση τραυματισμών στον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Ο Τσεν οραματίστηκε την ανάπτυξη εγκεφαλικών οργανοειδών από το δέρμα ενός ασθενούς με κατεστραμμένο φλοιό. Μόλις εγχυθεί στον εγκέφαλο του ασθενούς, το οργανοειδές μπορεί να αναπτυχθεί και να συνδεθεί με υγιείς νευρώνες.

«Αυτή η ιδέα είναι σίγουρα εκεί έξω», είπε. «Το θέμα είναι πώς θα το εκμεταλλευτούμε και θα το πάμε στο επόμενο επίπεδο;»

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στους New York Times.