Japon araştırmacılar laboratuvarda insan beyni devrelerini büyütüyor

Nagoya Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, ilk kez laboratuvarda işlevsel insan beyni devrelerini yeniden yarattı. Profesör Fumitaka Osakada ve doktora öğrencisi Masatoshi Nishimura liderliğindeki bilim adamları, insan kök hücrelerinden yetiştirilen üç boyutlu minyatür yapılar olan assembloidleri kullandılar. Sonuçlar Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı'nda yayınlandı.

Araştırmacılar, deneyleri için ilk olarak uyarılmış pluripotent kök hücrelerden (iPS hücreleri) talamus ve serebral korteksin (korteks) ayrı organoitlerini oluşturdular.

Gerçek organların taklidi

Bu organoidler, gerçek organların belirli özelliklerini taklit eden küçük, organ benzeri yapılardır. Daha sonra beyin bölgeleri arasındaki etkileşimleri gerçek zamanlı olarak gözlemleyebilmek için her iki organoidi bir araya getirdiler.

Ekip, talamustaki sinir liflerinin kortekse doğru büyüdüğünü, kortikal liflerin ise talamusa doğru büyüdüğünü buldu. Bu lifler, insan beynindeki bağlantılara benzer şekilde sinapslar (sinir hücreleri arasındaki bağlantılar) oluşturdu. Talamustan kortekse olan projeksiyonlar, geri dönüş bağlantılarından daha erken gelişti; bu, primatların beynindeki doğal gelişim düzenine karşılık geliyor.

Talamus serebral korteksin olgunlaşmasını hızlandırır

Gen aktivitesinin karşılaştırılması açık farklılıklar gösterdi: Talamusa bağlı kortikal doku, tek başına büyüyen kortikal organoidlere göre daha fazla olgunluk belirtileri gösterdi. İlişkili organoidlerin gen ekspresyonu, 12 ila 17 haftalık gebelikteki insan fetüsününkine benzerken, izole edilmiş kortikal organoidler yalnızca 8 ila 9 haftalık gelişime karşılık geliyordu.

Araştırmacılar ayrıca bağlantılı yapılarda derin beyin katmanlarında daha fazla öncü hücre ve artan sayıda nöron buldular. İlginç bir şekilde, organoidlerin doğrudan füzyon olmaksızın uzaysal yakınlığı, öncü hücrelerin çoğalmasını uyarmak için yeterliydi; bu, talamustan gelen çözünebilir sinyal maddelerinin bu etkiye aracılık ettiğinin bir göstergesidir.

Yalnızca belirli nöron türlerinde eşzamanlı aktivite

Kalsiyum görüntülemeyi kullanan bilim insanları, sinyallerin topluluklar arasında nasıl ilerlediğini inceledi. Talamustan yayılan ve kortekse yayılan dalga benzeri aktivite modellerini gözlemlediler.

Serebral korteks üç ana tipte uyarıcı nöron içerir: intratelensefalik (IT), piramidal sistem (PT) ve kortikotalamik (CT) nöronlar. IT nöronları öncelikle korteks içinde iletişim kurarken, PT ve CT nöronları sinyalleri talamusa geri gönderir. Ölçümler, yalnızca PT ve CT nöronlarının eşzamanlı aktivite gösterdiğini, yani zaman koordineli sinyal modelleri geliştirdiklerini gösterdi. Öte yandan BT nöronları asenkron kaldı.

Kontrol olarak araştırmacılar, talamik bileşen içermeyen iki kortikal organoidden topluluklar oluşturdular. Bu yapılarda üç nöron tipinin hiçbiri senkronize aktivite göstermedi. Yazarlara göre bu, talamik girdinin özellikle belirli nöron türlerini güçlendirdiğini ve bunların ağ oluşturmasını desteklediğini kanıtlıyor.

Nörolojik hastalıkları araştırmak için araç

Otizm spektrum bozuklukları gibi gelişimsel engelleri olan kişilerde serebral korteks devreleri sıklıkla yanlış çalışır. Bu ağların nasıl ortaya çıktığını ve olgunlaştığını anlamak bu nedenle bu tür hastalıkların araştırılmasında merkezi öneme sahiptir.

Osakada, “İnsan beynini kopyalayarak anlamaya yönelik yapılandırmacı yaklaşımda önemli ilerlemeler kaydettik” dedi. Bulgular, nörolojik ve psikiyatrik bozuklukların ardındaki mekanizmaların daha hızlı açıklığa kavuşturulmasına ve yeni tedavilerin geliştirilmesine yardımcı olabilir.

Araştırmacılar modellerinin hala sınırlamaları olduğunu kabul ediyor: Talamik aksonlar kortekse ulaştı ancak gerçek beyindeki gibi demet halinde lif şeritleri oluşturmadı. Gelecekteki çalışmalar için, büyüyen sinir lifleri için bir kılavuz yapı görevi gören bir beyin bölgesi olan ganglion çıkıntısından gelen yapıları da içeren üç parçalı düzeneklerin geliştirilmesini öneriyorlar.