一个新的研究拥有先进的能力模型的发展被植入大脑球细胞,称为大脑瀑样——从人类干细胞成年轻的老鼠的大脑。瀑样,这通常是在培养皿中生长,表现出前所未有的水平的成熟,形成了与老鼠大脑的其他区域,甚至能刺激动物的行为的变化。
研究标志着一步瀑样技术,在发育神经科学已经成为一个有价值的工具,但对动物福利和提出了紧迫的伦理问题的意识水平,更复杂的瀑样可以有一天获得。
这项研究发表在自然。
瀑样的起源
2006年,Kazutoshi高桥和发表了开创性的山中伸弥纸显示细胞可以重组胚胎样细胞,他们能够专门为各种其他细胞通过一个过程被称为分化,少数基因驱动的应用程序称为转录因子。
自那时以来,科学模型的能力发展中使用干细胞的细胞迅速发达。斯坦福大学的研究人员领导的Sergiu Pasca精神病学和行为科学教授,一直是一个核心力量在推进神经干细胞模型。Pasca和同事发表有影响力的论文显示神经元来自干细胞可以用于模型障碍,如盖综合征罕见遗传条件,产生畸形的心脏,神经系统和数字。
但是早期的干细胞模型,它被安排在层底部的盘子,没有大脑的结构复杂性和电路。世界各地的研究人员开始开发3 d干细胞模型的驱动力——瀑样更忠实地建模的神经过程。虽然瀑样菜被证明是有用的模型中早期的大脑,它们的增长往往停滞在某些发育时间点:他们没有血,缺乏支持更广泛的神经系统,这些瀑样相比仍小,相对简单的迷宫般的地图由成熟的哺乳动物大脑的连接。
Pasca的实验室,嵌合体小鼠,可能已经破解问题。
空前的集成
与在体外大脑瀑样,Pasca说,“我们不能告诉什么是我们识别缺陷的行为后果。“这限制了他们的使用在研究疾病如盖综合症,产生复杂的知识和行为变化。
尝试和桥梁之间的差距产生的大脑和行为所表现出的基因改变大脑瀑样,Pasca和他的团队移植整个瀑样,大小约1 - 1.5毫米,在发展中年轻的老鼠的大脑。虽然移植研究几乎是新的,他说,他的团队的研究有两个创新的特性——瀑样的复杂性和计算(出生后3 - 7天),他们补充道。“在这些早期阶段,通过移植”Pasca说,“我们发现这些瀑样可以增长相对较大,他们成为血管生长覆盖大约三分之一的老鼠大脑半球”。
Pasca的团队加入了瀑样老鼠大脑的一个区域称为躯体感觉皮层,它接收输入的老鼠的胡须。集成,瀑样达到前所未有的水平,扎根在72年81%的大鼠移植。连接瀑样达到的水平是如此亲密,甚至人为神经元对刺激老鼠的胡须。支持中的小胶质细胞有关老鼠甚至产生的伤口进入移植细胞。大鼠胸腺缺乏使用,这意味着他们的免疫系统缺陷,阻止他们的身体排斥移植的细胞。
一旦到位,神经元生理变化,也显示更好的模仿在活的有机体内大脑,增长六倍左右的神经元生长在培养皿中,更复杂的电活动。移植分化成多种细胞类型,但未能显示分层排列,称为纹理,正常大鼠皮质形式。瀑样已经复杂得多的树突连接和有能力更强的电子发射率比等效dish-grown瀑样。大约8个月的增长后,分析瀑样的记录显示,这些基因产物是类似在胎儿时期后期制作完整的人类大脑。
建模的疾病
然后团队移植瀑样从盖综合症患者的干细胞。而瀑样从这些患者生长在一道菜看起来类似于从个人创建没有盖综合症,移植瀑样异常树突增长模式,这表明一些见解神经发育疾病可能只有获得使用新颖的系统。也有改变多少盖syndrome-patient派生细胞移植后,“病人细胞不长那么大。有区别的,眼睛,你可以看到“Pasca解释道。
移植瀑样的最显著特征,然而,在多大程度上他们网络与现有老鼠的大脑。遗传标记技术的团队使用主机映射和调节移植。他们表明,不仅移植从其余的老鼠大脑接收输入,但光学刺激针对植入能够改变老鼠行为任务的执行。
评估瀑样的风险
玛德琳兰开斯特,一位科学家在医学研究委员会分子生物学实验室,开创了第一批瀑样研究和没有参与研究,被称为“进步”的领域工作。“(这项研究)提供了一种新的方式来理解使用人体模型系统神经功能的紊乱,”兰开斯特说。Pasca建议系统可以作为一种新的药物平台,坐在之间在体外临床前工作和人类在活的有机体内临床试验。
而干细胞产生了他们自己的道德恐慌的风险dish-grown瀑样达到知觉或意识已经微不足道。但随着技术进入生物系统和增加复杂性,这些风险是如何改变的?Pasca解释说,他的团队密切合作与内部和外部的生物伦理学家在整个研究中,优先级在动物健康。“的一个主要问题,我们已经是他们会发作或癫痫,”他解释说。但是电气和生理分析表明,老鼠没有发作的风险增加或增加压力或赤字在内存中。“在某种程度上,我们可以告诉,没有改变老鼠的行为或幸福。”
“我相信我们有一个道义上找到更好的模型来研究(精神)条件下,“Pasca说。“当然,这些模型人类变得越多,越不舒服我们觉得这些条件,但我觉得人类精神疾病,在很大程度上,人类特有的,所以我们要仔细想起来我们要走多远的模型在这一点上。”
“最小的担忧”
兰开斯特也认为研究的道德含义。”我没有任何担忧人类移植是否会导致动物变得更加“人类”因为这些移植的规模都很小,他们的整体组织仍然缺乏,”她的评论。“因此,我认为这是一个模型来研究人类神经元成熟在单个神经元或一组神经元水平,但这些都不是真正的大脑组织植入和有最小的担忧他们的认知功能有可能上升。”
同样的技术可以用于更复杂的大脑更密切相关的人类,例如灵长类动物?Pasca指出这样的一个实验不仅有技术障碍要克服,会更多的从道德的角度来看。“今天在大鼠移植涉及自然壁垒有多少集成,”他说,指着那疯狂老鼠和人类的不同发育时间尺度。
“但如果物种中移植的时机更接近人类,您期望的集成更近,“Pasca警告说。“但我们不认为在这个时候(使用灵长类动物)是必要的。首先,我们必须利用技术的发展,把它玩,看看它能教我们关于人类大脑的发展。”
参考戈尔:Revah O, F,凯利千瓦等。成熟和电路集成的移植人类大脑皮层瀑样。自然。2022年。Doi:10.1038 / s41586 - 022 - 05277 - w
