Laut einer neuen Studie haben Wissenschaftler im Labor Miniaturgehirne geschaffen, die komplizierte Netzwerke bilden und Gehirnwellen erzeugen, die denen ähneln, die vom sich entwickelnden Gehirn eines Frühgeborenen ausgelöst werden.
Die Idee, Miniaturgehirne im Labor zu züchten, ist nicht neu. Forscher tun dies seit fast einem Jahrzehnt. Aber die meisten Studien haben diese Mini-Gehirne oder "Organoide" verwendet, um die Struktur im großen Maßstab zu untersuchen.
Zum Beispiel entwickelte eine Gruppe Mini-Gehirne, die Blutgefäße wachsen lassen könnten, berichtete Live Science zuvor. Eine andere Gruppe setzte Mini-Gehirne dem Zika-Virus aus, um zu verstehen, wie es zu ungewöhnlich kleinen Köpfen oder Mikrozephalie führen kann.
Aber unter Bedingungen wie Autismus, Schizophrenie, bipolarer Störung und sogar Depression "ist das Gehirn intakt und das Problem hängt von den Operationen des Netzwerks ab", sagte der leitende Autor der Studie, Alysson Muotri, ein außerordentlicher Professor der Abteilung für Zelluläre und Molekulare Medizin und der Direktor des Stammzellenprogramms an der University of California in San Diego. Dies ist das erste Mal, dass im Labor gewachsene Gehirne komplizierte Netzwerke von Neuronen bilden, die starke Gehirnwellen erzeugen.
Zu diesem Zweck ernteten Muotri und sein Team menschliche Stammzellen, die sich nach den richtigen Anweisungen in jeden Zelltyp verwandeln können und aus Haut und Blut der Menschen stammen. Die Forscher setzten diese Stammzellen chemischen Anweisungen aus, die die Zellen in Gehirnzellen verwandeln würden.
Zum größten Teil bildeten diese Zellen neurale Vorläuferzellen, gehirnspezifische Zellen, die sich vermehren und viele Arten von Gehirnzellen hervorbringen können. Nach zwei bis fünf Monaten in einer Laborschale bilden diese Vorläuferzellen glutamaterge Neuronen, "exzitatorische" Gehirnzellen oder solche, die Informationen verbreiten.
Nach ungefähr vier Monaten hörten die Mini-Gehirne auf, exzitatorische Neuronen zu produzieren, und begannen, Astrozyten zu produzieren. Diese Gehirnzellen helfen dabei, Synapsen zu formen, die Lücken zwischen Gehirnzellen, in denen Neurotransmitter oder Gehirnchemikalien Informationen weitergeben. Schließlich begannen die Vorläuferzellen, hemmende Neuronen zu bilden, die die Gehirnaktivität löschen oder verhindern, dass Neuronen Informationen weitergeben. Dann "beginnt die Aktivität komplexer zu werden, weil wir jetzt Erregung und Hemmung in Einklang bringen", sagte Muotri.
Während sich die Zellen teilten und differenzierten, begannen sie sich schließlich "selbst zu etwas zu organisieren, das dem menschlichen Kortex ähnelt", sagte Muotri. Der Kortex ist die äußere Schicht des Gehirns, die eine wichtige Rolle im Bewusstsein spielt.
Die "Mini-Gehirne" sehen tatsächlich nicht wie Miniaturversionen menschlicher Gehirne aus. Es sind eher weiße, kugelförmige Flecken, die in der rötlichen Suppe schweben, in der sie angebaut werden, sagte Muotri. Sie wuchsen bis zu 0,5 Zentimeter im Durchmesser, aber ihre neuronalen Netze entwickelten sich neun bis zehn Monate lang weiter, bevor sie aufhörten, sagte er.
Während des Wachstums des Mini-Gehirns verwendete das Team eine Reihe winziger Elektroden, die mit Neuronen verbunden sind, um die Gehirnaktivität zu messen. Die Forscher fanden heraus, dass die Neuronen im Mini-Gehirn nach etwa zwei Monaten anfingen, sporadische Signale mit derselben Frequenz abzufeuern. Nach ein paar Monaten Entwicklungszeit gab das Gehirn Signale mit unterschiedlichen Frequenzen und regelmäßiger ab, was auf eine komplexere Gehirnaktivität hinweist, sagte Muotri.
Während frühere Studien gezeigt haben, dass kleine, im Labor hergestellte Gehirne Gehirnzellen auslösen können, berichteten Forscher, dass sie etwa 3.000 Mal pro Minute feuern, sagte Muotri. In dieser Studie feuerten die Neuronen jedoch fast 300.000 Mal pro Minute, was "näher am menschlichen Gehirn" liegt, sagte er.
Das Team verwendete dann einen Algorithmus für maschinelles Lernen, um die Gehirnaktivität dieser Mini-Gehirne mit der von Frühgeborenen zu vergleichen. Die Forscher trainierten ihr Programm, um die Gehirnwellen zu lernen, die von 39 Frühgeborenen zwischen 6 und 9,5 Monaten aufgezeichnet wurden.
Die Wissenschaftler speisten dann die Gehirnwellenmuster aus dem Mini-Gehirn in den Algorithmus ein und stellten fest, dass nach 25 Wochen Mini-Gehirn-Entwicklung die vom menschlichen Gehirn stammenden Daten nicht mehr von denen des im Labor gezüchteten Gehirns unterschieden werden konnten. "Es wird verwirrt und gibt beiden das gleiche Alter", was darauf hindeutet, dass das Mini-Gehirn und das menschliche Gehirn ähnlich gewachsen sind und sich ähnlich entwickelt haben, sagte Muotri.
Diese Studie zeigt "sehr schön, dass Sie diese reproduzierbaren experimentellen Systeme herstellen können, in denen Sie Prozesse ansprechen können, die für die Entwicklung eines Menschen so grundlegend sind", sagte Dr. Thomas Hartung, der Direktor des Johns Hopkins-Zentrums für Alternativen zu Tierversuchen Wer hat auch an der Entwicklung von Mini-Gehirnen im Labor gearbeitet, war aber nicht Teil der Studie.
Die "Unzugänglichkeit des embryonalen Gehirns ist einer der Gründe, warum diese Modelle etwas anderes bieten", sagte er. "Aber es bedeutet auch, dass Sie nur sehr begrenzte Möglichkeiten haben, zu sagen, dass es die Realität ist." Während die EEG-Signale denen von Frühgeborenen ähneln, sind sie zeitlich leicht verschoben, fügte er hinzu.
Während ein menschlicher Embryo mit der Mutter verbunden ist und somit Signale von außen empfängt, sind diese im Labor gewachsenen Gehirne mit nichts verbunden. "Diese Zellen haben keine Eingabe oder keine Ausgabe, sie können nichts erkennen, was auf der Welt passiert", sagte Hartung. Sie sind also "definitiv nicht" bei Bewusstsein.
Darin würden sich die meisten Wissenschaftler einig sein, aber "es ist schwer zu sagen", sagte Muotri. "Wir Neurowissenschaftler sind uns nicht einmal einig, welche Messungen man durchführen kann, um festzustellen, ob sie bei Bewusstsein sind oder nicht."
Das menschliche Gehirn sendet seine Signale, um uns bei der Interaktion mit unserer Umwelt zu helfen. Zum Beispiel betrachten wir einen Fehler, die Augen senden Signale an Gehirnzellen, die sich gegenseitig signalisieren und uns wissen lassen, dass wir einen Fehler sehen.
Warum senden diese im Labor gewachsenen Gehirne Signale? Worüber könnten sie möglicherweise sprechen? "Das ist eine Frage, die wir nicht kennen, weil das embryonale Gehirn wirklich eine Black Box ist", sagte Muotri. Es scheint, dass die meisten Signale in diesen frühen Stadien Anweisungen zum "Selbstverdrahten" oder zum Verbinden miteinander beinhalten, sagte er.
Auf jeden Fall hofft er, dass Studien wie diese uns helfen werden zu verstehen, wie früh die Verkabelung des Gehirns zu unserem komplexen Gehirn führt und was passiert, wenn diese Verkabelung schief geht.
Muotri und sein Team sagten, sie hoffen nun, die Gehirnorganoide weiter zu stimulieren, um zu sehen, ob sie sich über neun bis zehn Monate hinaus entwickeln können. Die Forscher möchten auch Hirnstörungen modellieren, indem sie beispielsweise Gehirnorganoide mit Zellen von Kindern mit Autismus herstellen, um zu verstehen, wie sich ihre Hirnnetzwerke entwickeln.
Die Ergebnisse wurden heute (29. August) in der Zeitschrift Cell Stem Cell veröffentlicht.
