7 лет человеческий мозг прожил вне тела, не имея сознания и чувств, но безупречно повторяя этапы взросления настоящего ребенка
Крошечные скопления человеческих клеток мозга, выращенные в лаборатории, оказались способны жить и развиваться годами, словно внутри них работают собственные биологические часы. Некоторые органоиды в лаборатории Гарварда достигли возраста около семи лет, а подробное исследование образцов возрастом до пяти лет показало, что клетки всё это время продолжали проходить этапы созревания, характерные для человеческого мозга. Работа опубликована в журнале Nature.
Органоиды мозга выращивают из человеческих стволовых клеток. Внешне такие образования размером примерно с горошину перца лишь отдалённо напоминают настоящий мозг, однако содержат более миллиона клеток коры и воспроизводят некоторые процессы её развития. Органоиды не обладают сознанием, не получают информацию от органов чувств и не представляют собой уменьшенные копии человеческого мозга. Их ценность заключается в другом. Учёные получают модель, на которой можно наблюдать процессы, практически недоступные для прямого изучения у живого человека.
До сих пор возможности подобных моделей сильно ограничивал срок жизни. Большинство экспериментов длилось несколько месяцев, поэтому исследователи наблюдали преимущественно самые ранние этапы формирования нервной системы. Предыдущий рекорд составлял 694 дня. Команда Паолы Арлотты из Гарвардского университета смогла поддерживать кортикальные органоиды более пяти лет, а некоторые культуры, которые лаборатория продолжила выращивать после завершения основной части исследования, сейчас достигли семилетнего возраста.
Учёные подробно исследовали 34 органоида в возрасте от шести месяцев до пяти лет и объединили результаты с более ранними данными. В общей сложности анализ охватил 110 органоидов и почти 425 тысяч отдельных клеток. Исследователи отслеживали активность генов, изменения ДНК, состав клеток и электрическую активность нейронных сетей.
Главным результатом стала удивительно точная связь между временем в чашке Петри и биологическим созреванием клеток. Молодые органоиды демонстрировали признаки, характерные для мозга плода, а спустя год и больше всё сильнее напоминали клетки мозга после рождения. Эпигенетические часы, основанные на метилировании ДНК, также показывали возраст, соответствующий времени, которое культура провела в лаборатории.
Особенно показательный эксперимент исследователи провели, смешав нервные клетки-предшественники разного возраста. Клетки, выращивавшиеся около года, поместили рядом с намного более молодыми клетками и дали одинаковые химические сигналы для превращения в нейроны.
Молодые клетки начали создавать ранние типы нейронов, как и ожидалось. Старые клетки повели себя иначе. Вместо повторного прохождения ранних стадий развития они сразу начали производить более зрелые типы нейронов, которые обычно появляются спустя несколько месяцев. По словам исследователей, клетки словно «помнили», какой участок своего жизненного пути уже прошли. Речь не о памяти в привычном смысле, а о сохранённом молекулярном состоянии, которое определяет дальнейшее развитие клетки.
Учёные называют такой эффект своеобразным «скачком во времени». Если исследователи научатся управлять внутренними часами клеток, для изучения поздних стадий развития мозга, возможно, больше не придётся ждать несколько лет. Старые клетки-предшественники потенциально позволят сразу получать нейроны нужной стадии зрелости.
Долгоживущие органоиды особенно интересны для изучения процессов, которые происходят уже после рождения. Человеческий мозг созревает почти два десятилетия, поэтому многие особенности его развития трудно воспроизвести на животных или в обычных клеточных культурах. Новая модель может помочь исследовать позднее формирование нейронных сетей, механизмы психических и неврологических заболеваний и реакцию клеток мозга на лекарства.
Выращивать органоиды десятилетиями исследователи пока не собираются. Поддержание культур требует больших затрат, а главная цель эксперимента уже достигнута. Гарвардская команда показала, что человеческие клетки мозга способны годами следовать собственной программе развития даже вне организма. Теперь исследователи хотят выяснить, как заставить биологические часы работать быстрее.