新しい研究によると、科学者たちは研究室でミニチュア脳を作成し、複雑なネットワークを形成し、早産の人間の赤ちゃんの発達中の脳が発射する波に似た脳波を生み出しました。
ラボでミニチュアブレインを成長させるという考えは新しいものではありません。研究者たちはこれを10年近く続けてきました。しかし、ほとんどの研究はこれらのミニブレインまたは「オルガノイド」を使用して大規模構造を研究しています。
たとえば、あるグループは、血管を成長させることができるミニ脳を開発したとLive Scienceは以前に報告しました。別のグループは、ミニ脳をジカウイルスにさらし、それがどのようにして異常に小さな頭や小頭症につながるのかを理解しました。
しかし、自閉症、統合失調症、双極性障害、さらにはうつ病などの状態では、「脳は無傷であり、問題はネットワークの操作に依存している」と研究の筆頭著者である細胞分子医学部の准教授であるアリソンムオトリは述べた。カリフォルニア大学サンディエゴ校の幹細胞プログラムのディレクター。これは、実験室で成長した脳が強力な脳波を生み出すニューロンの複雑なネットワークを形成したのはこれが初めてです。
これを行うために、Muotriと彼のチームは、ヒトの幹細胞を採取しました-ヒトの幹細胞は、適切な指示が与えられれば、あらゆる細胞型に変化する可能性があり、人々の皮膚と血液から得られます。研究者たちは、これらの幹細胞を、細胞を脳細胞に変える化学的指示にさらしました。
ほとんどの場合、これらの細胞は、神経前駆細胞、増殖して多くの種類の脳細胞を生じさせることができる脳特異的細胞を形成した。実験皿で2〜5か月後、これらの前駆細胞はグルタミン酸作動性ニューロン、「興奮性」である脳細胞、または情報を伝達する細胞を形成します。
約4か月後、ミニ脳は興奮性ニューロンの作成を停止し、星状細胞の作成を開始しました。これらの脳細胞は、神経伝達物質または脳内化学物質が情報を伝達する脳細胞間のギャップであるシナプスを形作るのに役立ちます。最後に、前駆細胞は抑制ニューロンを作り始めました。それは脳活動を消滅させるか、ニューロンが情報を渡すのを止めます。 Muotri氏は、このとき「活動がより複雑になり始めます。今では興奮と抑制のバランスが取れているからです」と語っています。
細胞は分裂して分化していたが、最終的には「人間の皮質に似たものに自己組織化」し始めたとムートリ氏は語った。皮質は脳の外層であり、意識において重要な役割を果たします。
「ミニブレイン」は実際、人間の脳のミニチュア版のようには見えません。むしろ、それらはそれらが育てられている赤みを帯びたスープに浮かぶ白い球形の塊であるとムートリは言った。彼らは直径わずか0.2インチ（0.5センチ）まで成長したが、ニューラルネットワークは止まる前に9〜10ヶ月進化し続けたと彼は言った。
ミニ脳の成長を通じて、チームはニューロンに接続する一連の小さな電極を使用して脳の活動を測定しました。研究者たちは、約2か月後に、ミニ脳のニューロンが散発的な信号をすべて同じ周波数で発し始めたことを発見しました。 Muotri氏によると、開発からさらに数か月後、脳はさまざまな周波数でより定期的に信号を発し、より複雑な脳活動を示したという。
以前の研究では、実験室で生成されたミニ脳が脳細胞発火を引き起こす可能性があることが示されているが、研究者はそれらが約毎分3,000回発火すると報告したとMuotriは述べた。しかし、この研究では、ニューロンは毎分30万回近く発火し、「人間の脳に近い」と述べた。
次に、チームは機械学習アルゴリズムを使用して、これらのミニ脳の脳活動を早産の人間の脳の活動と比較しました。研究者たちは、生後6〜9か月の39人の未熟児から記録された脳波を学習するようにプログラムを訓練しました。
その後、科学者たちはミニ脳からの脳波パターンをアルゴリズムに入力し、25週間のミニ脳の発達後、人間の脳からのデータと実験室で成長した脳からのデータを区別できなくなったことを発見しました。 「それは混乱し、両方に同じ年齢を与える」と、それはミニ脳と人間の脳が同様に成長し、発達していたことを示唆している、とMuotriは言った。
この研究は、「人間の発達にとって非常に基本的なプロセスに対処できるこの再現可能な実験システムを作成できることを非常にうまく示しています」と、ジョンズホプキンス動物実験代替センターの責任者であるThomas Hartung博士は述べています。研究室でミニブレインの開発にも取り組んできましたが、研究には参加していませんでした。
「これらのモデルが異なる何かを提供している理由の1つは、胚の脳にアクセスできないことです」と彼は言った。 「しかし、それはあなたがそれを本物と言う機会が非常に限られていることも意味します。」脳波信号は早産児のそれと似ていますが、タイミングが少しずれていると彼は付け加えました。
人間の胚は母親に接続されているため、外部から信号を受信しますが、これらの研究室で成長した脳は何にも接続されていません。 「これらのセルには入力も出力もないため、世界で起こっていることを認識できません」とハートン氏は述べた。したがって、彼らは「間違いなく」意識しています。
それはほとんどの科学者が同意するものですが、「言うのは難しい」とムートリは言った。 「私たちの神経科学者たちは、意識しているかどうかを実際に調査するために実際に調査できる測定値が何であるかについてさえ同意していません。」
人間の脳はその信号を送信して、環境との相互作用を助けます。たとえば、バグを見ると、目は脳細胞に信号を送り、脳細胞は互いに信号を送り合い、バグが発生していることを知らせます。
では、なぜこれらの研究室で開発された脳が信号を送信するのでしょうか？彼らは何について話しているのでしょうか？ 「それは私たちが知らない質問です。なぜなら、胎児の脳は本当にブラックボックスだからです」とムートリは言った。これらの初期段階のほとんどの信号には、「自己配線」または相互接続の指示が含まれているようです。
いずれにせよ、彼はこのような研究が初期の脳の配線がどのように私たちの複雑な脳を生み出すか、そしてその配線がうまくいかなくなったときに何が起こるかを理解するのに役立つことを望んでいると彼は言いました
Muotriと彼のチームは、脳のオルガノイドをさらに刺激して、9か月から10か月を超えて発達するかどうかを確認したいと考えていると語った。研究者たちはまた、たとえば自閉症の子供から採取した細胞を使って脳のオルガノイドを作成し、脳のネットワークがどのように発達するかを理解して、脳障害をモデル化したいと考えています。
発見は本日（8月29日）ジャーナルCell Stem Cellで発表されました。
