Gli scienziati hanno creato cervelli in miniatura in laboratorio che hanno formato reti intricate e prodotto onde cerebrali simili a quelle sparate dal cervello in via di sviluppo di un bambino umano pretermine, secondo un nuovo studio.
L'idea di far crescere cervelli in miniatura in laboratorio non è nuova; i ricercatori lo fanno da quasi un decennio. Ma la maggior parte degli studi ha usato questi mini cervelli o "organoidi" per studiare la struttura su larga scala.
Ad esempio, un gruppo ha sviluppato mini cervelli che potrebbero far crescere i vasi sanguigni, come riportato in precedenza da Live Science. Un altro gruppo ha esposto i mini cervelli al virus Zika per capire come può portare a teste anormalmente piccole o alla microcefalia.
Ma in condizioni come autismo, schizofrenia, disturbo bipolare e persino depressione, "il cervello è intatto e il problema si basa sulle operazioni della rete", ha detto l'autore senior dello studio Alysson Muotri, professore associato del Dipartimento di medicina cellulare e molecolare e il direttore del Stem Cell Program presso l'Università della California, San Diego. Questa è la prima volta che i cervelli cresciuti in laboratorio hanno formato intricate reti di neuroni che hanno prodotto forti onde cerebrali.
Per fare questo, Muotri e il suo team hanno raccolto cellule staminali umane - che possono trasformarsi in qualsiasi tipo di cellula con le giuste istruzioni - derivate dalla pelle e dal sangue delle persone. I ricercatori hanno esposto queste cellule staminali a istruzioni chimiche che avrebbero trasformato le cellule in cellule cerebrali.
Per la maggior parte, queste cellule hanno formato cellule progenitrici neurali, cellule specifiche del cervello che possono proliferare e dare origine a molti tipi di cellule cerebrali. Dopo due o cinque mesi in una capsula da laboratorio, queste cellule progenitrici formano neuroni glutamatergici, cellule cerebrali "eccitatorie" o quelle che propagano informazioni.
Dopo circa quattro mesi, il mini cervello ha smesso di produrre neuroni eccitatori e ha iniziato a produrre astrociti. Queste cellule cerebrali aiutano a modellare le sinapsi, gli spazi tra le cellule cerebrali in cui i neurotrasmettitori o le sostanze chimiche del cervello trasmettono informazioni. Infine, le cellule progenitrici hanno iniziato a produrre neuroni inibitori, che estinguono l'attività cerebrale o impediscono ai neuroni di trasmettere informazioni. Questo è quando "l'attività inizia a diventare più complessa, perché ora stiamo bilanciando l'eccitazione e l'inibizione", ha detto Muotri.
Mentre le cellule si dividevano e si differenziavano, alla fine iniziarono a "auto-organizzarsi in qualcosa che ricorda la corteccia umana", ha detto Muotri. La corteccia è lo strato esterno del cervello, che svolge un ruolo importante nella coscienza.
I "mini cervelli" non sembrano, infatti, versioni in miniatura dei cervelli umani. Piuttosto, sono chiazze bianche e sferiche che galleggiano nella zuppa rossastra in cui sono cresciute, ha detto Muotri. Sono cresciuti fino a 0,5 cm di diametro, ma le loro reti neurali hanno continuato a evolversi per nove-dieci mesi prima di fermarsi, ha detto.
Durante la crescita del mini cervello, il team ha utilizzato una serie di minuscoli elettrodi che si collegano ai neuroni per misurare l'attività cerebrale. I ricercatori hanno scoperto che a circa due mesi, i neuroni nel mini cervello hanno iniziato a emettere segnali sporadici, tutti alla stessa frequenza. Dopo un altro paio di mesi di sviluppo, il cervello ha emesso segnali a frequenze diverse e più regolarmente, indicando un'attività cerebrale più complessa, ha detto Muotri.
Mentre studi precedenti hanno dimostrato che i cervelli mini, prodotti in laboratorio, potrebbero produrre il fuoco delle cellule cerebrali, i ricercatori hanno riferito che sparano intorno a circa 3000 volte al minuto, Muotri ha detto. In questo studio, tuttavia, i neuroni hanno sparato quasi 300.000 volte al minuto, che è "più vicino al cervello umano", ha detto.
Il team ha quindi utilizzato un algoritmo di apprendimento automatico per confrontare l'attività cerebrale di questi mini cervelli con quella dei neonati umani prematuri. I ricercatori hanno addestrato il loro programma per apprendere le onde cerebrali registrate da 39 bambini prematuri tra i 6 ei 9 mesi e mezzo.
Gli scienziati hanno quindi alimentato i modelli di onde cerebrali dai mini cervelli nell'algoritmo e hanno scoperto che dopo 25 settimane di sviluppo del mini cervello, non era più in grado di distinguere i dati provenienti dal cervello umano da quelli derivanti dal cervello cresciuto in laboratorio. "Si confonde e dà la stessa età a entrambi", il che suggerisce che il mini cervello e il cervello umano stessero crescendo e sviluppandosi in modo simile, Muotri ha detto.
Questo studio mostra "molto bene che è possibile realizzare questi sistemi sperimentali riproducibili in cui è possibile affrontare i processi che sono così fondamentali per lo sviluppo di un essere umano", ha affermato il Dr. Thomas Hartung, direttore del Johns Hopkins Center for Alternatives to Animal Testing che ha anche lavorato allo sviluppo di mini-cervelli in laboratorio ma che non faceva parte dello studio.
"L'inaccessibilità del cervello embrionale è uno dei motivi per cui questi modelli offrono qualcosa di diverso", ha detto. "Ma significa anche che hai opportunità molto limitate di dire che è la cosa reale." Mentre i segnali di ELETTROENCEFALOGRAMMA sono simili a quelli dei bambini prematuri, sono leggermente fuori tempo, ha aggiunto.
Mentre un embrione umano è collegato alla madre e quindi riceve segnali dall'esterno, questi cervelli cresciuti in laboratorio non sono collegati a nulla. "Queste celle non hanno input o output e non sono in grado di riconoscere nulla di ciò che accade nel mondo", ha affermato Hartung. Quindi sono "sicuramente non" coscienti.
Questo è ciò su cui la maggior parte degli scienziati sarebbe d'accordo, ma "è difficile da dire", ha detto Muotri. "Noi neuroscienziati non siamo nemmeno d'accordo su quali siano le misure che si possono fare per sondare effettivamente per vedere se sono coscienti o meno".
Il cervello umano invia i suoi segnali per aiutarci a interagire con il nostro ambiente. Ad esempio, osserviamo un bug, gli occhi inviano segnali alle cellule cerebrali, che si segnalano l'un l'altro e ci fanno sapere che stiamo vedendo un bug.
Quindi, perché questi cervelli cresciuti in laboratorio inviano segnali? Di cosa potrebbero forse parlare? "Questa è una domanda che non conosciamo, perché il cervello embrionale è davvero una scatola nera", ha detto Muotri. Sembra che la maggior parte dei segnali in queste prime fasi implichi istruzioni per "auto-cablare" o connettersi tra loro, ha detto.
In ogni caso, ha detto che spera che studi come questo ci aiuteranno a capire come i primi circuiti cerebrali generano i nostri cervelli complessi e cosa succede quando questi cablaggi si guastano.
Muotri e il suo team hanno affermato che ora sperano di stimolare ulteriormente gli organoidi cerebrali per vedere se sono in grado di svilupparsi oltre i 9-10 mesi. I ricercatori vorrebbero anche modellare i disturbi cerebrali, ad esempio creando organoidi cerebrali con cellule prelevate da bambini con autismo, per capire come si sviluppano le loro reti cerebrali.
I risultati sono stati pubblicati oggi (29 agosto) sulla rivista Cell Stem Cell.
