Yeni bir araştırmaya göre, bilim adamları laboratuarda karmaşık ağlar oluşturan ve erken doğmuş bir insan bebeğinin gelişen beyninin ateşlediği beyin dalgaları gibi minyatür beyinler oluşturdular.
Laboratuarda minyatür beyin yetiştirme fikri yeni değil; araştırmacılar bunu yaklaşık on yıldır yapıyorlar. Ancak çoğu çalışma bu mini beyinleri veya "organoidleri" büyük ölçekli yapıları incelemek için kullanmıştır.
Örneğin, Live Science'ın daha önce bildirdiği gibi, bir grup kan damarlarını büyütebilecek mini beyinler geliştirdi. Başka bir grup, anormal derecede küçük kafalara veya mikrosefali yol açabileceğini anlamak için Zika virüsüne mini beyinler maruz bıraktı.
Ancak, otizm, şizofreni, bipolar bozukluk ve hatta depresyon gibi durumlarda, "beyin sağlamdır ve sorun ağın operasyonlarına dayanır," dedi. Kaliforniya Üniversitesi, San Diego'daki Kök Hücre Programı'nın direktörü. Laboratuvarda yetişen beyinler, ilk kez güçlü beyin dalgaları üreten karmaşık nöron ağları oluşturdular.
Bunu yapmak için Muotri ve ekibi, doğru talimatlar verildiğinde herhangi bir hücre tipine dönüşebilen insan kök hücrelerini topladı ve insanların derisinden ve kanından türetildi. Araştırmacılar bu kök hücreleri, hücreleri beyin hücrelerine dönüştürecek kimyasal talimatlara maruz bıraktılar.
Çoğunlukla, bu hücreler nöral progenitör hücreleri, çoğalabilen ve birçok beyin hücresi türüne yol açabilen beyne özgü hücreler oluşturdu. Bir laboratuvar tabağında iki ila beş ay sonra, bu progenitör hücreler glutamaterjik nöronlar, "uyarıcı" beyin hücreleri veya bilgiyi yayan hücreler oluşturur.
Yaklaşık dört ay sonra, mini beyinler uyarıcı nöronlar üretmeyi bıraktı ve astrositler yapmaya başladı. Bu beyin hücreleri, sinapsların, nörotransmitterlerin veya beyin kimyasallarının bilgi aktardığı beyin hücreleri arasındaki boşlukların şekillenmesine yardımcı olur. Son olarak, progenitör hücreler, beyin aktivitesini söndüren veya nöronların bilgi aktarmasını engelleyen inhibitör nöronlar yapmaya başladı. İşte o zaman "etkinlik daha karmaşık olmaya başlar, çünkü şimdi uyarma ve inhibisyonu dengeliyoruz," dedi Muotri.
Hücreler bölünürken ve farklılaşırken, sonunda "insan korteksine benzeyen bir şeye kendi kendini organize etmeye" başladılar, dedi Muotri. Korteks, bilinçte önemli bir rol oynayan beynin dış tabakasıdır.
"Mini beyinler" aslında insan beyinlerinin minyatür versiyonlarına benzemez. Muotri, daha ziyade, içinde büyüdükleri kırmızımsı çorbada yüzen beyaz, küresel lekeler olduğunu söyledi. Çapı sadece 0,5 santimetreye kadar büyüdüler, ancak sinir ağlarının durmadan önce dokuz ila 10 ay boyunca gelişmeye devam ettiklerini söyledi.
Mini beyinlerin büyümesi boyunca ekip, beyin aktivitesini ölçmek için nöronlara bağlanan bir dizi küçük elektrot kullandı. Araştırmacılar, yaklaşık iki ayda, mini beyinlerdeki nöronların, aynı frekansta sporadik sinyaller atmaya başladığını buldular. Muotri, birkaç aylık bir gelişimden sonra, beyinlerin farklı frekanslarda ve daha düzenli sinyaller verdiğini ve daha karmaşık beyin aktivitesini gösterdiğini söyledi.
Daha önceki çalışmalar, laboratuvarda üretilen mini beyinlerin beyin hücresi ateşlemesi üretebileceğini gösteriyor olsa da, araştırmacılar bunların dakikada yaklaşık 3.000 kez ateş ettiğini bildirdi. Ancak bu çalışmada, nöronlar dakikada 300.000 kez ateş etti, bu da "insan beynine daha yakın" dedi.
Ekip daha sonra bu mini beyinlerin beyin aktivitesini erken doğan bebeklerin beyin aktivitesiyle karşılaştırmak için bir makine öğrenme algoritması kullandı. Araştırmacılar, 6 ila 9 buçuk aylık bebekler arasında 39 prematüre bebekten kaydedilen beyin dalgalarını öğrenmek için programlarını eğitti.
Bilim adamları daha sonra beyin dalgası modellerini mini beyinlerden algoritmaya beslediler ve 25 haftalık mini beyin gelişiminden sonra, insan beyninden gelen verilerin artık laboratuvarda üretilen beyinden elde edilemediğini fark edemediler. Muotri, “Beynin kafası karışıyor ve her ikisine de aynı yaşı veriyor” diyor Mini beyin ve insan beyni benzer şekilde büyüyor ve gelişiyor.
Johns Hopkins Hayvan Testleri Alternatifleri Merkezi Müdürü Dr. Thomas Hartung, Bu çalışma "bir insanın gelişimi için çok temel olan süreçleri ele alabileceğiniz bu tekrarlanabilir deney sistemlerini yapabileceğinizi çok güzel" gösteriyor. laboratuvarda mini-beyin geliştirmek için çalışan, ancak çalışmanın bir parçası olmayan.
“Embriyonik beynin erişilemezliği, bu modellerin farklı bir şey sunmasının nedenlerinden biridir” dedi. "Ama aynı zamanda bunun gerçek olanı söylemek için çok sınırlı fırsatlarınız olduğu anlamına gelir." EEG sinyalleri, dönem öncesi bebeklerin sinyalleriyle benzer olsa da, zamanlamada biraz kapalı olduklarını da sözlerine ekledi.
Bir insan embriyosu anneye bağlıyken dışarıdan sinyaller alırken, bu laboratuvarda üretilen beyinler hiçbir şeye bağlı değildir. Hartung, "Bu hücrelerin girdisi yok ya da çıktısı yok, dünyada olan hiçbir şeyi tanıyamıyorlar." Yani "kesinlikle" bilinçli değiller.
Muotri, çoğu bilim insanının üzerinde hemfikir olacağı gibi, "söylemek zor" dedi. "Biz nörobilimciler, bilinçli olup olmadıklarını görmek için gerçekten araştırma yapmak için neler yapabileceğimizin ölçümleri konusunda bile anlaşmıyoruz."
İnsan beyni, çevremizle etkileşime girmemize yardımcı olmak için sinyallerini gönderir. Örneğin, bir hataya bakıyoruz, gözler beyin hücrelerine sinyaller gönderiyor, bu da birbirlerine sinyal veriyor ve bir hata gördüğümüzü bize bildiriyor.
Peki, bu laboratuvarda yetiştirilen beyinler neden sinyal gönderiyor? Ne hakkında konuşuyor olabilirlerdi? Muotri, "Bu bilmediğimiz bir soru, çünkü embriyonik beyin gerçekten bir kara kutu." Dedi. Bu erken aşamalardaki sinyallerin çoğunun "kendi kendini kablolama" veya birbirine bağlanma talimatlarını içerdiği anlaşılıyor.
Her halükarda, bunun gibi çalışmaların, erken beyin kablolamasının karmaşık beyinlerimize nasıl neden olduğunu anlamamıza yardımcı olacağını ve bu kabloların ters gittiğinde ne olacağını umduğunu söyledi.
Muotri ve ekibi, dokuz ila 10 aydan fazla gelişip gelişmeyeceklerini görmek için beyin organoidlerini daha fazla uyarmayı umduklarını söyledi. Araştırmacılar ayrıca beyin bozukluklarını, örneğin otizmli çocuklardan alınan hücrelerle beyin organoidleri oluşturarak, beyin ağlarının nasıl geliştiğini anlamak için modellemek istiyorlar.
Bulgular bugün (29 Ağustos) Cell Stem Cell dergisinde yayınlandı.
