EKSPERIMENTI na ljudskom mozgu dok ga osoba aktivno koristi nisu mogući, što znanstvenicima značajno otežava istraživanje. Zbog toga su mnogi procesi ključni za razvoj i funkcioniranje mozga, kao i uzroci neuroloških poremećaja, i dalje velikim dijelom nepoznanica, piše Science Alert.

Znanstvenici već godinama razvijaju alternativne metode za proučavanje ljudskog mozga, od staničnih kultura do minijaturnih trodimenzionalnih struktura poznatih kao organoidi. Ipak, i najnapredniji organoidi imaju ključni nedostatak: ne funkcioniraju unutar živog organizma s kojim bi mozak mogao upravljati.

Neuroznanstvenici sa Sveučilišta Stanford predstavili su rješenje tog problema. U novoj studiji uspjeli su uzgojiti ljudsko kortikalno tkivo unutar miševa kojima je u ranoj fazi razvoja genetski spriječen razvoj vlastitog cerebralnog korteksa. Unutar tri mjeseca, ljudsko tkivo proširilo se i zauzelo više od 90 posto kortikalnog volumena miša. Pritom je razvilo krvne žile, povezalo se s ostatkom živčanog sustava, postalo električki aktivno i čak poslalo živčane produžetke sve do leđne moždine.

Ljudski korteks u mišjem mozgu

"Važno je naglasiti da su to i dalje miševi", rekao je za Science Alert neuroznanstvenik Sergiu Pașca sa Sveučilišta Stanford. "Imaju živčani sustav miša, osjetila miša i subkortikalne strukture miša. Specifičnost je u tome što je većina kortikalnog tkiva kod tih životinja ljudskog podrijetla, a ljudski neuroni rastu, integriraju se i uspostavljaju funkcionalne veze s ostatkom mišjeg živčanog sustava."

Od štakora do genetski modificiranih miševa

Moždani organoidi posljednjih su godina postali znatno sofisticiraniji i omogućuju uzgoj tkiva s različitim tipovima stanica. No, laboratorijski uvjeti imaju jasna ograničenja jer izolirani organoid nema dotok krvi, ne prima osjetilne podražaje i ne upravlja mišićima.

Pașcin tim godinama radi na prevladavanju tog problema. U studiji iz 2022. presadili su ljudske kortikalne organoide u novorođene štakore. Ljudski neuroni su sazreli i integrirali se u mozak štakora, pa čak i reagirali na podražaje s njihovih brkova.

Međutim, pojavio se problem jer se ljudski neuroni razvijaju puno sporije od neurona glodavaca i natječu se za isti prostor. Kako bi uklonili tu konkurenciju, istraživači su genetski modificirali miševe tako da im se veći dio cerebralnog korteksa i hipokampusa ne razvije.

Takve životinje, nazvane "apalijalni" miševi, poslužile su kao primatelji ljudskih kortikalnih organoida, čime su stvoreni "ksenokortikalni" miševi.

Razvoj ljudskog tkiva i specifičnih neurona

Transplantati su rasli zajedno s miševima i ispunili prazan kortikalni prostor. Dobiveno tkivo nije bilo savršena replika ljudskog korteksa; nakon šest mjeseci bilo je na razvojnoj razini koja odgovara ljudskom korteksu u sredini trudnoće, bez slojevite strukture zrelog mozga. Unatoč tome, tkivo je počelo stvarati neurone koje je dosad bilo teško dobiti u drugim modelima.

Među njima su i neuroni L5-ET, koji imaju duge projekcije i povezuju korteks s udaljenim dijelovima živčanog sustava. Unutar te skupine pronađene su i stanice slične von Economo neuronima (VEN), izduženim neuronima specifičnima za određene regije ljudskog mozga. Njih je iznimno teško replicirati u laboratoriju, a u prethodnoj studiji sa štakorima nisu bili detektirani.

Pitanje je što točno u mozgu miša potiče njihov razvoj. "To još ne znamo, a mislim da je to jedno od najzanimljivijih pitanja koja je ova studija otvorila", priznaje Pașca.

"Moguće je da pristup ljudskih kortikalnih neurona udaljenim ciljevima u živčanom sustavu osigurava signale koje je teško replicirati u laboratorijskoj posudi. Druga je mogućnost da u živom organizmu postoje faktori koji nedostaju organoidima, poput faktora rasta, signala povezanih s neuronskom aktivnošću, vaskularizacije ili interakcija s okolnim stanicama."

Utjecaj na ponašanje miševa

Osim analize samog tkiva, istraživače je zanimalo kako transplantat utječe na ponašanje miševa. Proveli su test radne memorije u labirintu u obliku slova Y na tri skupine: kontrolnoj skupini zdravih miševa, apalijalnim miševima bez transplantata i ksenokortikalnim miševima s ljudskim tkivom. Zdravi miševi i ksenokortikalni miševi postigli su rezultate bolje od slučajnosti, što ukazuje na funkcionalnu radnu memoriju.

Apalijalni miševi, bez korteksa i hipokampusa, nisu pokazali takvu sposobnost. "To je intrigantan rezultat, pogotovo zato što apalijalni miševi nisu bili uspješni", komentirao je Pașca. "Ipak, moramo biti oprezni i ne smijemo zaključiti samo na temelju toga da su ljudski neuroni izravno odgovorni za to ponašanje." Pitanje izravne uzročnosti ostaje predmet budućih istraživanja.

Potencijalna primjena u liječenju bolesti

Primarni cilj ovog istraživanja nije bio provjeriti mogu li ljudske stanice poboljšati sposobnosti miševa, već stvoriti model za proučavanje bolesti mozga. Potencijalne primjene su značajne. "Jedan očit smjer je frontotemporalna demencija. Budući da sada možemo stvoriti neurone nalik VEN-u, možemo uzgojiti kortikalne organoide od pacijenata, istražiti pokazuju li ti rijetki neuroni selektivnu ranjivost i testirati mogu li ih određene intervencije zaštititi", objasnio je Pașca.

Dodao je da se kod epilepsije može ispitati uzrokuju li neuroni povezani s bolešću abnormalnu aktivnost, dok se kod autizma i drugih neurorazvojnih poremećaja mogu pratiti posljedice promjena u ljudskim kortikalnim krugovima na ponašanje životinja.

Etička pitanja

Integracija ljudskog živčanog tkiva u životinju u ovolikom opsegu neizbježno otvara složena etička pitanja. Tim sa Stanforda uključio je bioetičare i vanjsko povjerenstvo od samog početka projekta. Prema riječima Sergia Pașce, jedno od ključnih pitanja odnosi se na dobrobit životinja i opravdanost njihove upotrebe.

"Drugo važno pitanje jest može li ugradnja sve složenijeg ljudskog živčanog tkiva u živčani sustav životinje dovesti do neočekivanih svojstava koja bi zahtijevala dodatno etičko razmatranje", rekao je Pașca i dodao da su životinje pažljivo praćene tijekom cijelog istraživanja.

Istovremeno, Pașca ističe i etičku cijenu odustajanja od razvoja boljih modela za neurološke i psihijatrijske bolesti. "Neurološki i psihijatrijski poremećaji pogađaju gotovo svaku petu osobu, a za mnoga od tih stanja još uvijek ne razumijemo biologiju dovoljno dobro da bismo razvili učinkovite tretmane", zaključio je. "Mnogi od tih poremećaja uključuju specifično ljudske živčane krugove koji se ne mogu adekvatno modelirati u konvencionalnim životinjskim modelima ili u izoliranim stanicama."

Nalazi su objavljeni u časopisu Nature.