1044
Мозок розвивається поетапно: одні клітини мають з’явитися раніше за інші, щоб згодом сформувалися точні нейронні зв’язки. Але лабораторні моделі мозку — органоїди — не дотримуються цього «розкладу», показує нове дослідження, про яке розповідає Live Science.
Мозкові органоїди — це скупчення вирощених у пробірці нейронів, які імітують деякі структурні й функціональні риси справжнього мозку. Їх активно використовують для вивчення порушень розвитку мозку плода, зокрема станів, коли мозок виростає аномально великим (макроцефалія) або занадто малим (мікроцефалія).
Оскільки безпосередньо досліджувати такі стани у людських плодів неможливо, вчені покладаються на органоїди. Однак нова робота, опублікована в журналі Nature, свідчить, що цим «міні-мозкам» бракує ключових сигналів, які в реальному організмі задають правильний темп розвитку.
Як порівнювали справжній мозок і органоїди
У попередніх експериментах на мишах команда Саймона Гіппенмайєра (Simon Hippenmeyer) відстежувала стовбурові клітини, що дають початок нейронам, — радіальні гліальні прогенітори (RGP). Вагітним мишам вводили препарат, який «вмикав» флуоресцентні мітки в окремих стовбурових клітинах.
Після народження нащадків дослідники простежували, скільки клітин утворила кожна така мічена клітина і як ця кількість змінювалася в міру розвитку мозку. Ці дані стали еталоном для порівняння з мозковими органоїдами, вирощеними з ембріональних стовбурових клітин миші.
Мета була проста: з’ясувати, чи зберігається в органоїдах та сама послідовність подій, що й у справжньому мозку, коли стовбурові клітини спочатку розмножуються, а потім диференціюються в нейрони та гліальні клітини.
Ті самі клітини, але інший порядок
Команда виявила, що органоїди дійсно утворюють основні типи клітин, характерні для кори головного мозку. Проте послідовність розвитку виявилася порушеною.
У нормі RGP у корі спершу активно діляться, збільшуючи свою кількість, а вже потім перетворюються на нейрони та гліальні клітини, які підтримують, живлять і ізолюють нейрони. В органоїдах частина RGP починала формувати нейрони занадто рано, тоді як інші ще продовжували ділитися.
Зазвичай RGP на пізніх стадіях розвитку дають менше нащадків, ніж ті, що працюють на ранніх етапах. У мініатюрних «мозках» це правило ламалося: стовбурові клітини продукували більше нащадків незалежно від того, на якій стадії розвитку вони перебували.
Обмежені «долі» клітин у міні-мозку
Побачивши такі збої в часі, дослідники вирішили з’ясувати, наскільки різноманітні нейрони може створити одна RGP в органоїді. Кора мозку складається з шести шарів, і в реальному мозку одна стовбурова клітина здатна послідовно дати нейрони глибоких шарів (раніше в розвитку) та верхніх шарів (на пізніших етапах).
В органоїдах приблизно третина RGP виявилася «заблокованою» на одній долі: вони могли сформувати або нейрони глибших шарів, або верхніх, але не обидва типи, як це відбувається в живому мозку.
Це свідчить, що міні-мозки не лише збиваються з «графіка» розвитку, а й втрачають частину гнучкості стовбурових клітин, яка є критичною для формування повноцінної кори.
Чого бракує органоїдам
У справжньому мозку, наголошує Гіппенмайєр, є кровоносні судини, позаклітинні структури та метаболічні сигнали, які впливають на розвиток органа, але відсутні в органоїдах. Дослідники припускають, що саме ці зовнішні сигнали допомагають узгодити час утворення нейронів і подальше формування нейронних мереж.
Нейробіолог Дені Жабодон (Denis Jabaudon) з Женевського університету, який не брав участі в роботі, зазначає, що локальне оточення клітин у мозку, ймовірно, визначає, які саме нейрони з них утворяться. Водночас точний набір цих сигналів поки що невідомий.
Для того щоб нейрони знайшли одне одного й утворили правильні зв’язки, вони мають опинитися в потрібному місці в потрібний час. Якщо ж зрушити часові рамки розвитку, змінюються й можливості для формування специфічних нейронних ланцюгів.
Як удосконалити моделі мозку
Подальша робота, за словами Гіппенмайєра, полягатиме в тому, щоб ідентифікувати зовнішні сигнали, які отримують нейрони в живому мозку, а потім порівняти їх із тим, що відбувається в органоїдах. Це дозволить зрозуміти, які саме «інгредієнти» відсутні в лабораторних моделях.
Коли ці сигнали будуть визначені, з’явиться можливість цілеспрямовано додавати їх до органоїдів, щоб зробити їх розвиток більш подібним до реального мозку. Команда також планує вирощувати мозкові органоїди з людських клітин і досліджувати, як поводитимуться радіальні гліальні стовбурові клітини в людській системі.
Такі вдосконалені моделі можуть стати потужним інструментом для вивчення ранніх порушень розвитку мозку, але нинішні результати нагадують: навіть найскладніші «міні-мозки» поки що не здатні повністю відтворити часову логіку живого органу.
Мініатюрні «мозки» з лабораторії виявилися збитими з часового ритму з’явилася спочатку на Цікавості.
