Исследователи удалили большую часть коры мозга у мышей и заполнили образовавшуюся полость выращенной человеческой нервной тканью. За несколько месяцев человеческие клетки заняли более 90% свободного пространства, сформировали нейронные сети и протянули отростки в глубокие отделы мозга и спинной мозг. Это позволяет наблюдать развитие человеческих нейронов в живом организме и изучать состояния, которые обычные мыши воспроизводят плохо.
Для трансплантации использовали органоиды мозга — трёхмерные структуры из человеческих стволовых клеток, которые воспроизводят отдельные этапы развития коры. Однако выращивание в чашке с питательной средой имеет ограничения: ткани не хватает полноценного кровоснабжения, связи с органами чувств и мышцами, а некоторые типы клеток созревают медленнее, чем внутри организма.
Пересадка органоидов грызунам проводилась уже несколько лет, но при этом человеческие и мышиные клетки конкурировали за место и нервные связи. Нейроны грызунов развиваются намного быстрее и успевают сформировать собственные цепи задолго до созревания человеческих клеток. В этом исследовании учёные устранили конкурента: генетические изменения не позволили большей части коры и гиппокампа развиться у мышей. Во взрослом возрасте у таких животных сохранилось примерно 2% обычного объёма этой ткани.
Молодым мышам пересадили человеческие органоиды коры возрастом от 30 до 60 дней. Через два-три месяца человеческая ткань увеличилась почти в пять раз и заполнила более 90% доступного пространства. Нейроны образовали разнообразные типы нервной ткани, проявили электрическую активность и отправили длинные отростки в глубокие области мозга и спинной мозг. Записи активности показали организованные сигналы, похожие скорее на развивающуюся нервную сеть, чем на зрелую кору.
Несмотря на размер пересадки, животные не получили человеческий мозг и не показали признаков необычного интеллекта. Через три-шесть месяцев после операции поведение мышей с пересаженной тканью оставалось близким к поведению обычных животных. Эксперты отмечают, что человеческие клетки оставались незрелыми, а поведение формировалось совместной работой пересаженной ткани и сохранившихся мышиных отделов мозга. Поэтому результаты не доказывают человеческое мышление, сознание или полную замену коры.
Преимущества новой системы проявились при кислородном голодании. Исследователи снизили доступ кислорода на пять часов и обнаружили заметные повреждения человеческой нервной ткани. После воздействия мыши с трансплантатами хуже удерживали равновесие и меняли походку, тогда как обычные мыши переносили такой режим намного легче. Авторы видят в этом способ изучать повышенную чувствительность развивающегося человеческого мозга к недостатку кислорода, который может повредить нервную систему во время беременности или родов.
В пересаженной ткани обнаружили нейроны фон Экономо — крупные веретенообразные нервные клетки, которые встречаются в человеческом мозге и у некоторых других крупных социальных млекопитающих. Раньше их не удавалось получить в обычной лабораторной культуре. Некоторые формы лобно-височной деменции сопровождаются выраженной потерей таких клеток, поэтому возможность выращивать их внутри живой нервной системы может помочь понять механизмы заболевания.
Новая система остаётся искусственной моделью с серьёзными ограничениями. Чтобы дать человеческим клеткам место, исследователям пришлось нарушить нормальное формирование большей части мышиного мозга, а пересаженная ткань всё равно не стала зрелой человеческой корой. Эксперты указывают и на сложность подобных экспериментов, трудности с воспроизводимостью результатов, а также этические вопросы, которые будут становиться острее по мере увеличения объёма и интеграции человеческой нервной ткани.
Практическая цель пока не связана с пересадкой такой ткани людям. Авторы планируют использовать модель для изучения раннего развития мозга, эпилепсии, нарушений развития нервной системы, последствий кислородного голодания и других состояний, которые обычные грызуны воспроизводят плохо. В будущем органоиды можно выращивать из клеток конкретного пациента, наблюдать за изменениями нервных цепей и проверять потенциальные методы лечения до испытаний на людях.
