Ученые из Стэнфордского университета впервые встроили человеческие нейроны в мозг новорожденных крыс, получив при этом полностью жизнеспособных взрослых особей с химерным мозгом. Такие животные могут облегчить поиск новых методов диагностики и лечения нейродегенеративных заболеваний и нервно-психических расстройств, обычно характерных лишь для человека.
Флуоресцентная микрофотография мозга крысы с областью, составленной из нейронов человека (обведено пунктиром) / © Sergiu Pașca, et al., Nature, 2022
Развитие человеческого мозга — нетривиальный самоорганизующийся процесс, когда клетки делятся, дифференцируются, мигрируют и соединяются, образуя обширные нейронные сети. Впоследствии эти сети видоизменяются, совершенствуясь на основе индивидуального сенсорного опыта. Основная проблема на пути к полному пониманию развития человеческого мозга, особенно в случае развития заболеваний, — отсутствие возможности работать с мозговой тканью живого человека.
Многочисленные биологические модели, определенным образом имитирующие наш мозг, позволяют продвинуться в этом направлении. Однако все они обладают ограниченным функционалом, не позволяющим добиться полного соответствия модели реальному мозгу. Один из наиболее продвинутых типов моделей — органоиды мозга.
Их получают из клеток кожи человека, преобразованных в плюрипотентные стволовые клетки, которые затем обратно дифференцируются и становятся различными клетками человеческого мозга (нейронами, астроцитами и так далее). Выращивая таким образом трехмерные структуры, можно создать, например, органоиды коры головного мозга человека.
Тем не менее выращивание органоидов вне характерного микроокружения реального мозга снижает их полезность в моделировании генетически сложных и определяемых поведением нервно-психических расстройств.
Поэтому ученые из Стэндфордского университета (США) решили пойти дальше и провели трансплантацию органоидов человеческого мозга в мозг новорожденных крыс (в первую неделю после рождения, когда нейронные сети все еще формируются). В результате нейроны человека полностью встраивались в мозг грызуна, образуя рабочие связи и протягивая свои аксоны (длинные отростки) по всему мозгу животного, а их активация могла управлять поведением, направленным на поиск вознаграждения. О своем исследовании ученые сообщают в статье, опубликованной в журнале Nature.
У подавляющего большинства животных спустя два месяца после трансплантации человеческие органоиды, полностью встроившиеся в сети нейронов, занимали примерно треть полушария головного мозга. Спустя год 74% крыс с химерным мозгом все еще были живы (обычная продолжительность жизни для лабораторных крыс составляет три-четыре года), причем без заметных нарушений двигательной функции или памяти и вообще каких-либо аномалий.
При этом нейроны органоидов, встроенных в мозг, были значительно крупнее и имели гораздо больше более длинных дендритов (малых отростков), чем у стандартного органоида.
Ученые также заметили еще одну важную особенность подобных химерных крыс. На втором этапе исследования при трансплантации они использовали органоиды, полученные из клеток пациентов, больных синдромом Тимоти — редким генетическим заболеванием, характеризующимся неврологическими дефектами и физическими пороками развития, включая проблемы с сердцем. Спустя примерно полгода у крыс с такими трансплантатами появлялись характерные признаки болезни, связанные с активностью нейронов.
По мнению авторов работы, аналогичные эксперименты можно проводить, используя органоиды, полученные из клеток людей с расстройствами вроде аутизма или шизофрении, и, возможно, узнать что-то новое о том, как эти состояния возникают и влияют на мозг. Кроме того, подобная практика будет полезна для тестирования новых методов лечения нервно-психических расстройств и нейродегенеративных заболеваний — основной причины инвалидности в мире.
