Ученые заменили кору мозга мышей человеческими клетками: что из этого получилось

Авторы научно-фантастических романов и рассказов время от времени обращаются к теме искусственного создания мозга. Цели могут быть самыми разными — от выращивания основы для синта до разработки биологического компьютера. Но насколько подобные идеи близки к реальности? Ученые уже довольно давно умеют получать в лаборатории человеческие нервные клетки и формировать из них небольшие трехмерные структуры — органоиды. Полноценной моделью живого органа их назвать сложно: у таких образований нет нормального кровоснабжения, связи с органами чувств и возможности управлять движениями. 

Но есть обходные пути. Так, исследователи решили скрестить мозг мыши и человека. Жутковато звучит, правда? Они вывели животных, у которых почти не развивались собственная кора и гиппокамп, а после пересадили в освободившееся пространство человеческие органоиды. Те прижились, заметно увеличились и подключились к нервной системе животных. Некоторые отростки добрались даже до спинного мозга. Давайте посмотрим, как все это было устроено и что в итоге получилось. Заодно разберемся, почему называть таких животных «мышами с человеческим мозгом» все же неправильно.

Зачем вообще понадобилась пересадка

В первую очередь для того, чтобы человеческая нервная ткань развивалась не в лабораторной посуде, а внутри живого организма. В чем выгода? Так она получает кислород и питательные вещества через сосуды, принимает сигналы от других отделов мозга и может формировать длинные связи. Кроме того, исследователи видят, как изменения в работе нейронов отражаются на движениях, памяти и поведении животного. В чашке Петри проследить такую цепочку невозможно. Поэтому органоид решили превратить из отдельной культуры в часть действующей нервной системы.

Если идти стандартным путем, то органоид выращивают из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека. В этом случае элемент кожи или крови сначала возвращают в состояние, близкое к эмбриональному, а затем направляют по нужному пути развития. Через время образуется небольшой комок, состоящий из нейронов, астроцитов и их предшественников. Он воспроизводит некоторые ранние этапы формирования коры, но полноценным мозгом не является. У него нет нормального кровоснабжения, органов чувств и связи с телом (поскольку и тела нет).

Команда Серджиу Паски ранее пыталась решить эту проблему, пересаживая человеческие органоиды новорожденным крысам. Внутри живого мозга клетки действительно созревали лучше, увеличивались и лучше ветвились. Они также подключались к местным нервным цепям, а через полгода трансплантат занимал до трети одного полушария. Дальнейшему росту мешали собственная кора животного и нехватка свободного пространства. Кроме того, крысиные нейроны развивались быстрее человеческих и раньше занимали доступные связи.

В новом эксперименте исследователи решили убрать эту конкуренцию. Для этого они вывели мышей, у которых большая часть собственной коры и гиппокампа просто не формировалась. В итоге у таких животных внутри черепа оставалась свободная область, куда можно было поместить сразу несколько органоидов. Пересаженная ткань получала кровоснабжение и доступ к сохранившимся отделам нервной системы, но почти не сталкивалась с местными корковыми нейронами. Так ученые смогли проверить, насколько далеко человеческие клетки способны развиться и встроиться в организм, если им не мешает кора хозяина.

Как получили мышей почти без коры

Тут стоит немного прояснить вопрос создания таких «особенных» животных. Ученым пришлось немало поработать, чтобы решить несколько проблем. Так, для эксперимента вывели специальную иммунодефицитную линию мышей. У них отключали ген Esco2 в клетках, где работает маркер Emx1. Именно из такой популяции во время эмбрионального развития возникает значительная часть неокортекса и гиппокампа. Без Esco2 делящиеся предшественники погибали. В результате нужные отделы почти не формировались.

Во взрослом мозге таких мышей оставалось около 2% от обычного количества корковой ткани. Общая масса органа уменьшалась примерно наполовину. Самое интересное, что животные были вполне жизнеспособны, что доказывает хорошую работу адаптационных инструментов живых животных. Мыши доживали до взрослого возраста, самостоятельно двигались и сохраняли основные реакции. Правда, за детенышами приходилось тщательнее ухаживать, позже отсаживать их от кормящих самок и давать более калорийную пищу.

Таких мышей назвали апаллиальными, то есть родившимися без большей части паллиума — зачатка будущей коры и гиппокампа. Стоит еще раз подчеркнуть, что отделы не удаляли хирургически: они просто не сформировались во время эмбрионального развития. При этом мозжечок, ствол и подкорковые структуры оставались на месте и продолжали работать. В верхней части мозга вместо обычной коры образовалась большая полость, заполненная жидкостью. Именно туда исследователи и пересадили человеческие органоиды. 

Пересадку делали на второй день после рождения. Каждой мыши вводили по четыре органоида, выращенных примерно за два месяца до операции. Один такой фрагмент содержал около ста тысяч клеток. Иммунитет животных заранее ослабили, чтобы организм не отторг чужой материал, иначе ничего бы не получилось. В итоге трансплантаты прижились в 86,2% случаев.

Что выросло внутри мышиного мозга

После пересадки органоиды не просто остались на месте и не погибли, а начали быстро увеличиваться. Между вторым и третьим месяцем они стали больше в среднем в 4,7 раза. Через три месяца человеческий трансплантат составлял 91,9% суммарного объема корковой ткани. Здесь есть важное уточнение. Речь идет не о 92% всего мозга мыши (об этом начали писать многие СМИ), а только об области, где почти не осталось собственной коры.

Анализ показал, что после пересадки органоиды не просто увеличились в размерах. Внутри них сформировались специализированные клетки: глутаматергические нейроны нескольких классов, астроциты, клетки-предшественники и элементы субпластинки. Родственные типы располагались рядом друг с другом, то есть трансплантат постепенно самоорганизовывался. Правда, полноценное полушарие в итоге получить не удалось. Четких слоев, извилин и отдельных функциональных областей в гибридном мозге не появилось.

Еще интересны обнаруженные учеными проекционные нейроны пятого слоя, или L5-ET. Их особенность заключается в длинных аксонах, которые выходят за пределы больших полушарий и связывают кору с удаленными отделами нервной системы. В обычных органоидах такие клетки почти не формируются. Исследователи проверили данные по 213 753 нейронам, выращенным в лаборатории разными способами, и нашли всего три клетки с нужными признаками. В новом трансплантате такие нейроны образовывались в три раза чаще, чем при предыдущих способах пересадки.

Среди этих проекционных нейронов обнаружились клетки, напоминающие веретенообразные нейроны. У них крупное «тело» и характерные вытянутые отростки. В человеческом мозге такие нейроны находятся в областях, связанных с социальным поведением, восприятием эмоций и принятием решений. Раньше их считали исключительно человеческими, но позже похожие клетки нашли у человекообразных обезьян, слонов и китообразных. В лабораторных культурах получить их не удавалось, поэтому появление элементов внутри трансплантата стало еще одним признаком более естественного развития нервной ткани. Авторы, правда, называют их подобными веретенообразным нейронам: внешнего сходства и набора молекулярных маркеров пока недостаточно, чтобы окончательно утверждать идентичность.

Куда добрались человеческие нейроны

Отростки пересаженных клеток не остались внутри освободившейся полости. Они проходили через подкорковые структуры, доходили до верхних холмиков четверохолмия и собирались в организованные тракты. В обратную сторону тоже поступали сигналы. Основными их источниками оказались древняя кора, таламус и бледный шар. Получается, что человеческая ткань подключилась к нескольким участкам мышиного мозга и включилась в работу.

Некоторые аксоны добрались еще дальше — до шейного отдела спинного мозга. Их происхождение проверили с помощью специального антитела, распознающего человеческий цитоплазматический антиген. У контрольной мыши, которой небольшой органоид пересадили в неповрежденную кору, таких проекций не нашли. Видимо, свободное пространство позволило нейронам сформировать длинные нисходящие связи. Правда, наличие аксона еще не означает, что он действительно управляет мышцами животного.

Чтобы понять, работает ли пересаженная ткань как единая нервная сеть, исследователи добавили в часть ее клеток ген белка GCaMP8s. Он реагирует на кальций: когда нейрон возбуждается, концентрация ионов Ca внутри него повышается, GCaMP8s начинает светиться ярче. 

Перед наблюдением кости черепа мышей сделали оптически прозрачными, чтобы регистрировать эти изменения с помощью камеры. Так выяснилось, что активность возникала не в отдельных клетках, а распространялась по всему трансплантату в виде согласованных волн. Каждый всплеск начинался в небольшой области, примерно за сто миллисекунд охватывал доступную поверхность и мог продолжаться десятки секунд. Затем в ткань ввели электроды и получили похожую картину, подтвердив, что камера действительно фиксировала работу нейронов, а не движение животного или изменение кровотока. 

Активность трансплантата совпадала по времени с движениями морды мыши. Но однозначного объяснения этому пока нет. Человеческие нейроны могли получать обратный сигнал уже после движения. Но не исключено и их участие в его запуске. Чтобы разобраться, авторам эксперимента нужно будет выборочно отключать отдельные связи и смотреть, что изменится. Но, как видим, результаты многообещающие.

Что произошло с поведением животных?

Исследователи сравнивали три группы. В первую вошли обычные мыши, во вторую — апаллиальные (то есть без собственной коры и гиппокампа). Третью группу составили ксенокортикальные мыши: животные с пересаженными человеческими органоидами. При обычном наблюдении все три группы двигались примерно с одинаковой скоростью. Основные различия обнаружились только в специальных тестах.

Сначала проверили апаллиальных мышей без трансплантата. Их пустили по дорожке, которая записывала положение каждой лапы. Обычные животные ставили диагональные пары конечностей почти одновременно, а у лишенных коры эта синхронность нарушилась. Набор повторяющихся движений у них также сильнее различался между отдельными особями и менялся от одной сессии к другой. Получается, сохранившиеся отделы мозга поддерживали обычную ходьбу, но хуже справлялись с точной координацией.

У ксенокортикальных мышей после пересадки часть проблем стала менее заметной. Они по-прежнему нормально ходили, плюс некоторые показатели походки приблизились к результатам контрольной группы. Однако движения лап все еще оставались хуже согласованными, чем у обычных животных. Были и другие отличия: такие мыши реже выходили в центр камеры и меньше вставали на задние конечности. Человеческая ткань повлияла на работу нервной системы, но полностью заменить отсутствующую кору не смогла.

В Y-образном лабиринте проверяли рабочую память. Обычная мышь старается заходить в новый рукав, поэтому должна помнить, где уже побывала. Контрольные и ксенокортикальные животные справились с заданием лучше случайного уровня. Апаллиальная группа тест провалила. Эффект повторили на двух независимых выборках, но говорить о появлении «человеческой памяти» здесь, конечно, нельзя.

Еще в одном эксперименте мышей учили связывать звук с последующим слабым ударом током. Обе группы выступили хуже контрольной. Пересадка помогла с одной задачей, но не восстановила все функции отсутствующих отделов. Вообще говоря, это вполне ожидаемый результат. Человеческий трансплантат оставался незрелым и не повторял нормальную архитектуру коры.

Что в итоге? Исследователи получили промежуточную модель между органоидом в лабораторной посуде и обычным опытом на животных. Человеческие клетки в ней развиваются внутри живого организма, образуют протяженные связи и позволяют сопоставлять изменения в нервной ткани с поведением мыши. Теперь можно изучать ранние заболевания мозга и проверять потенциальные методы лечения в условиях, которые невозможно воспроизвести в пробирке. Что важно: трансплантат остается незрелым и не превращает животное в «мышь с человеческим мозгом».