Ιάπωνες ερευνητές δημιούργησαν τεχνητά ανθρώπινα εγκεφαλικά κυκλώματα στο εργαστήριο
Μια σημαντική εξέλιξη έρχεται από την Ιαπωνία, όπου ερευνητές κατάφεραν να αναδημιουργήσουν ανθρώπινα εγκεφαλικά κυκλώματα σε εργαστηριακό περιβάλλον, ρίχνοντας φως σε θεμελιώδεις διαδικασίες ανάπτυξης του εγκεφάλου που μέχρι σήμερα παρέμεναν αθέατες.
Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο της Ναγκόγια αξιοποίησαν προηγμένες τεχνικές βιοτεχνολογίας για να κατασκευάσουν μικροσκοπικά μοντέλα εγκεφάλου, γνωστά ως «assembloids», τα οποία μιμούνται τη σύνδεση και την επικοινωνία μεταξύ διαφορετικών περιοχών του ανθρώπινου εγκεφάλου. Τα ευρήματά τους αποκαλύπτουν τον κρίσιμο ρόλο που διαδραματίζει ο θάλαμος στην ωρίμανση και την οργάνωση των νευρωνικών δικτύων του εγκεφαλικού φλοιού.
Η πρόκληση της χαρτογράφησης του ανθρώπινου νου
Ο ανθρώπινος εγκεφαλικός φλοιός αποτελείται από μια τεράστια ποικιλία νευρώνων που πρέπει να επικοινωνούν με ακρίβεια, τόσο μεταξύ τους όσο και με άλλες δομές του εγκεφάλου. Αυτές οι συνδέσεις είναι ζωτικής σημασίας για ανώτερες νοητικές λειτουργίες, όπως η αντίληψη, η σκέψη και η γνωστική επεξεργασία. Ωστόσο, η μελέτη της ανάπτυξης αυτών των κυκλωμάτων στον άνθρωπο προσκρούει σε σημαντικά ηθικά και τεχνικά εμπόδια, καθώς η άμεση παρατήρηση εμβρυϊκών εγκεφάλων είναι πρακτικά αδύνατη.
Στο παρελθόν, η επιστημονική κοινότητα βασιζόταν κυρίως σε πειραματόζωα, όπως τα τρωκτικά, για να κατανοήσει αυτές τις διαδικασίες. Αν και οι μελέτες αυτές έδειξαν ότι ο θάλαμος είναι σημαντικός για την οργάνωση του φλοιού, ο ακριβής μηχανισμός αλληλεπίδρασης στον πολύ πιο σύνθετο ανθρώπινο εγκέφαλο παρέμενε άγνωστος. Εδώ έρχεται να δώσει λύση η τεχνολογία των οργανοειδών.
Από τα βλαστοκύτταρα στα Assembloids
Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα (iPS cells) για να δημιουργήσει τρισδιάστατες δομές που ονομάζονται οργανοειδή. Αυτά τα οργανοειδή μιμούνται τη δομή και τη λειτουργία πραγματικών ανθρώπινων ιστών.
Ωστόσο, ένα μεμονωμένο οργανοειδές δεν αρκεί για να αποτυπώσει την πολύπλοκη αλληλεπίδραση μεταξύ διαφορετικών περιοχών. Για να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο, οι ερευνητές δημιούργησαν ξεχωριστά οργανοειδή για τον φλοιό και τον θάλαμο και στη συνέχεια τα συνένωσαν φυσικά, δημιουργώντας τα λεγόμενα «assembloids». Αυτή η συγχώνευση επέτρεψε την παρατήρηση της επικοινωνίας των δύο περιοχών σε πραγματικό χρόνο, προσφέροντας ένα παράθυρο στη δυναμική της εγκεφαλικής ανάπτυξης.
Ο θάλαμος ως «μαέστρος» της νευρωνικής ορχήστρας
Οι παρατηρήσεις των Ιαπώνων επιστημόνων ήταν αποκαλυπτικές. Είδαν νευρικές ίνες να επεκτείνονται από τον θάλαμο προς τον φλοιό και αντίστροφα, σχηματίζοντας συνάψεις που προσομοιάζουν στενά τις συνδέσεις στον πραγματικό εγκέφαλο. Η ανάλυση της γονιδιακής έκφρασης έδειξε ότι ο ιστός του φλοιού που ήταν συνδεδεμένος με τον θάλαμο παρουσίαζε σημάδια μεγαλύτερης ωριμότητας σε σχέση με απομονωμένα οργανοειδή φλοιού. Αυτό υποδεικνύει ότι η επικοινωνία με τον θάλαμο είναι απαραίτητη για την προώθηση της ανάπτυξης του φλοιού.
Το πιο εντυπωσιακό εύρημα αφορούσε τον τρόπο μετάδοσης των σημάτων. Η ομάδα κατέγραψε κύματα νευρικής δραστηριότητας που ξεκινούσαν από τον θάλαμο και εξαπλώνονταν στον φλοιό, δημιουργώντας συγχρονισμένη δραστηριότητα στα δίκτυα.
Συγκεκριμένα, διαπιστώθηκε ότι ο θάλαμος δεν επηρεάζει όλους τους νευρώνες με τον ίδιο τρόπο. Η συγχρονισμένη δραστηριότητα παρατηρήθηκε κυρίως σε δύο τύπους διεγερτικών νευρώνων: τους νευρώνες πυραμιδικής οδού (PT) και τους φλοιοθαλαμικούς νευρώνες (CT), οι οποίοι στέλνουν σήματα πίσω στον θάλαμο. Αντίθετα, οι ενδοτελεγκεφαλικοί νευρώνες (IT), που δεν προβάλλουν στον θάλαμο, δεν επηρεάστηκαν στον ίδιο βαθμό. Το στοιχείο αυτό υποδηλώνει ότι τα σήματα του θαλάμου ενισχύουν επιλεκτικά συγκεκριμένους τύπους νευρώνων, βοηθώντας τους να σχηματίσουν συντονισμένα και λειτουργικά δίκτυα.
Νέοι δρόμοι για την κατανόηση νευρολογικών διαταραχών
Η σημασία αυτής της έρευνας εκτείνεται πέρα από τη βασική βιολογία. Σε άτομα με νευροαναπτυξιακές διαταραχές, όπως οι διαταραχές του φάσματος του αυτισμού (ΔΑΦ), τα φλοιώδη κυκλώματα συχνά αναπτύσσονται ή λειτουργούν ανώμαλα. Η ικανότητα αναπαραγωγής αυτών των κυκλωμάτων στο εργαστήριο προσφέρει ένα ισχυρό εργαλείο για τη διερεύνηση των βιολογικών ριζών τέτοιων παθήσεων.
Όπως δήλωσε ο καθηγητής Osakada, η ομάδα έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στην κατανόηση του ανθρώπινου εγκεφάλου μέσω της ανακατασκευής του. Τα assembloids μπορούν πλέον να λειτουργήσουν ως πλατφόρμα για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται και λειτουργούν τα εγκεφαλικά κυκλώματα, αλλά και πώς διαφέρουν ανάλογα με τον τύπο των κυττάρων.
Η καινοτομία αυτή ανοίγει τον δρόμο για την επιτάχυνση της ανακάλυψης των μηχανισμών που κρύβονται πίσω από ψυχιατρικές και νευρολογικές νόσους, ενώ παράλληλα δημιουργεί πρόσφορο έδαφος για την ανάπτυξη και δοκιμή νέων θεραπειών.
