Wetenschappers creëerden miniatuurhersenen in het laboratorium die ingewikkelde netwerken vormden en hersengolven produceerden die vergelijkbaar waren met die van de zich ontwikkelende hersenen van een premature menselijke baby, volgens een nieuwe studie.
Het idee om miniatuurhersenen in het laboratorium te laten groeien is niet nieuw; onderzoekers doen dat al bijna tien jaar. Maar de meeste studies hebben deze minihersenen of "organoïden" gebruikt om grootschalige structuren te bestuderen.
Eén groep ontwikkelde bijvoorbeeld minihersenen die bloedvaten konden laten groeien, meldde WordsSideKick.com eerder. Een andere groep stelde minihersenen bloot aan het Zika-virus om te begrijpen hoe dit kan leiden tot abnormaal kleine koppen of microcefalie.
Maar bij aandoeningen zoals autisme, schizofrenie, bipolaire stoornis en zelfs depressie, 'zijn de hersenen intact en is het probleem afhankelijk van de werking van het netwerk', zegt hoofdauteur Alysson Muotri, universitair hoofddocent bij de afdeling Cellulaire en Moleculaire Geneeskunde en de directeur van het Stem Cell Program aan de University of California, San Diego. Dit is de eerste keer dat in het laboratorium gekweekte hersenen ingewikkelde netwerken van neuronen hebben gevormd die sterke hersengolven produceerden.
Om dit te doen, hebben Muotri en zijn team menselijke stamcellen geoogst - die met de juiste instructies in elk celtype kunnen veranderen - afkomstig van de huid en het bloed van mensen. De onderzoekers stelden deze stamcellen bloot aan chemische instructies die de cellen in hersencellen zouden veranderen.
Deze cellen vormden voor het grootste deel neurale voorlopercellen, hersenspecifieke cellen die kunnen prolifereren en aanleiding kunnen geven tot vele soorten hersencellen. Na twee tot vijf maanden in een laboratoriumschaal vormen deze voorlopercellen glutamaterge neuronen, hersencellen die 'prikkelen' of die informatie verspreiden.
Na ongeveer vier maanden stopten de minihersenen met het maken van exciterende neuronen en begonnen ze astrocyten te maken. Deze hersencellen helpen bij het vormen van synapsen, de openingen tussen hersencellen waar neurotransmitters, of hersenchemicaliën, informatie doorgeven. Ten slotte begonnen de voorlopercellen met het maken van remmende neuronen, die de hersenactiviteit onderdrukken of voorkomen dat neuronen informatie doorgeven. Dat is wanneer "de activiteit complexer begint te worden, omdat we nu excitatie en remming in evenwicht brengen", zei Muotri.
Terwijl de cellen zich aan het delen en differentiëren waren, begonnen ze uiteindelijk 'zichzelf te organiseren in iets dat lijkt op de menselijke cortex', zei Muotri. De cortex is de buitenste laag van de hersenen, die een belangrijke rol speelt in het bewustzijn.
De "mini-hersenen" zien er in feite niet uit als miniatuurversies van menselijke hersenen. Het zijn eerder witte, bolvormige klodders die drijven in de roodachtige soep waarin ze worden gekweekt, zei Muotri. Ze groeiden tot een diameter van slechts 0,2 inch (0,5 centimeter), maar hun neurale netwerken bleven negen tot tien maanden evolueren voordat ze stopten, zei hij.
Tijdens de groei van de minihersenen gebruikte het team een set kleine elektroden die verbinding maken met neuronen om hersenactiviteit te meten. De onderzoekers ontdekten dat de neuronen in de minihersenen na ongeveer twee maanden sporadische signalen begonnen af te vuren, allemaal met dezelfde frequentie. Na nog een paar maanden ontwikkeling, vuurden de hersenen signalen af op verschillende frequenties en regelmatiger, wat wijst op complexere hersenactiviteit, zei Muotri.
Terwijl eerdere studies hebben aangetoond dat mini, in het laboratorium geproduceerde hersenen hersencelverbranding kunnen produceren, meldden onderzoekers dat ze ongeveer 3.000 keer per minuut vuren, zei Muotri. In deze studie schoten de neuronen echter bijna 300.000 keer per minuut, wat 'dichter bij het menselijk brein' is, zei hij.
Het team gebruikte vervolgens een machine-learning algoritme om de hersenactiviteit van deze minihersenen te vergelijken met die van te vroeg geboren baby's. De onderzoekers trainden hun programma om de hersengolven te leren die werden geregistreerd bij 39 premature baby's tussen 6 en 9 en een halve maand oud.
De wetenschappers voerden vervolgens de hersengolfpatronen van de minihersenen in het algoritme in en ontdekten dat het na 25 weken van minihersenenontwikkeling de gegevens uit het menselijk brein niet langer kon onderscheiden van die van het in het laboratorium gekweekte brein. "Het raakt in de war en geeft ze allebei dezelfde leeftijd", wat suggereert dat de minihersenen en de menselijke hersenen op dezelfde manier groeiden en zich ontwikkelden, zei Muotri.
Deze studie toont "heel mooi aan dat je deze reproduceerbare experimentele systemen kunt maken waarin je processen kunt aanpakken die zo fundamenteel zijn voor de ontwikkeling van een mens", zei Dr. Thomas Hartung, de directeur van het Johns Hopkins Center for Alternatives to Animal Testing die ook heeft meegewerkt aan de ontwikkeling van minihersenen in het laboratorium, maar die geen deel uitmaakte van de studie.
De 'ontoegankelijkheid van het embryonale brein is een van de redenen waarom deze modellen iets anders bieden', zei hij. 'Maar het betekent ook dat je zeer beperkte kansen hebt om te zeggen dat het echt is.' Hoewel de EEG-signalen vergelijkbaar zijn met die van premature baby's, zijn ze enigszins afwijkend qua timing, voegde hij eraan toe.
Terwijl een menselijk embryo is verbonden met de moeder en dus signalen van buitenaf ontvangt, zijn deze in het laboratorium gekweekte hersenen nergens mee verbonden. "Deze cellen hebben geen invoer of geen uitvoer, ze kunnen niets in de wereld herkennen," zei Hartung. Ze zijn dus "absoluut niet" bewust.
Daar zijn de meeste wetenschappers het over eens, maar 'het is moeilijk te zeggen', zei Muotri. "Wij neurowetenschappers zijn het niet eens eens wat de metingen zijn die men kan doen om daadwerkelijk te onderzoeken of ze bij bewustzijn zijn of niet."
Het menselijk brein verzendt zijn signalen om ons te helpen omgaan met onze omgeving. We kijken bijvoorbeeld naar een bug, de ogen sturen signalen naar hersencellen, die naar elkaar signaleren en laten ons weten dat we een bug zien.
Dus, waarom sturen deze in het laboratorium gekweekte hersenen signalen? Waar zouden ze het mogelijk over hebben? 'Dat is een vraag die we niet kennen, omdat het embryonale brein eigenlijk een zwarte doos is', zei Muotri. Het lijkt erop dat de meeste signalen in deze vroege stadia instructies bevatten om 'zelf te bedraden' of met elkaar te verbinden, zei hij.
Hoe dan ook, hij zei dat hij hoopt dat studies als deze ons zullen helpen begrijpen hoe vroege hersenbedrading onze complexe hersenen veroorzaakt, en wat er gebeurt als die bedrading verkeerd gaat.
Muotri en zijn team zeiden dat ze nu hopen de hersenorganoïden verder te stimuleren om te zien of ze zich na negen tot tien maanden kunnen ontwikkelen. De onderzoekers willen ook hersenaandoeningen modelleren, bijvoorbeeld door hersenorganoïden te maken met cellen van kinderen met autisme, om te begrijpen hoe hun hersennetwerken zich ontwikkelen.
De bevindingen werden vandaag (29 augustus) gepubliceerd in het tijdschrift Cell Stem Cell.
