Возможность изучения человеческих неврологических систем зависит от наличия жизнеспособных, точных моделей функций мозга. Исследователи St. Jude теперь создали модель для такого исследования, объединив таламические клетки и кортикальные клетки, полученные из человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток.

Таламокортикальная система опосредует множественные сенсорные и когнитивные процессы , такие как восприятие, обучение и память. Исследователи разработали модель примитивной человеческой таламокортикальной системы, поддерживая таламические и кортикальные клеточные массы, известные как органоиды, в непосредственной близости в чашке для культивирования.

В этой модели нейроны в обоих органоидах развивают и выращивают длинные отростки (аксоны), которые простираются до противоположного органоида и образуют функциональные связи (синапсы). Исследователи определили, что когда эти синапсы стимулируются, они подвергаются долгосрочному усилению и ослаблению своих электрических сигналов, что является отличительной чертой синаптической пластичности , процесса, который лежит в основе определенных форм обучения и памяти.

Новая человеческая модель была успешно проверена на основе известных животных моделей, продемонстрировав видовые различия в базовых механизмах и подчеркнув важность точных человеческих моделей. Эти результаты были опубликованы на этой неделе в Cell Reports.

Для изучения нейронной функции в человеческих моделях ученые исторически полагались на методы низкого разрешения, которые измеряют ответы от группы нейронов, поскольку методы высокого разрешения, которые измеряют одноклеточные или синаптические ответы у людей, были недоступны. Исследователи из St. Jude хотели решить эту проблему.

«Наша цель — не только изучить нейронные цепи , но и по-настоящему понять связь между нейронами в человеческом мозге», — сказал соавтор Станислав Захаренко, доктор медицинских наук, доктор философии, кафедра нейробиологии развития больницы Св. Иуды. «Поэтому нам необходимо измерить активность между отдельными нейронами на субмикронном синаптическом уровне».

Изучение синапсов на субмикронном уровне

Синаптическая пластичность основана на долгосрочном усилении и ослаблении синапсов по мере развития и кодирования новой информации в нашем мозге, однако тот факт, что это происходит в микроскопических масштабах, означает, что изучение синапсов у людей давно является дилеммой в этой области.

Чтобы решить эту проблему, исследователи воспользовались недавним всплеском исследований мозговых органоидов. «Технология достигла такого уровня, что мы можем выращивать определенные нейроны, такие как корковые или таламические клетки», — пояснил Захаренко. «После того, как клетки выращены, они самоорганизуются в массу, называемую органоидом, и начинают развивать дальние отростки (аксоны) с пре- и постсинаптической специализацией».

Исследователи выяснили, что если два разных типа органоидов сливаются вместе, они создают «ассемблеоид», в котором два типа нейронов продолжают развиваться, посылают отростки друг другу, а затем начинают общаться.

Однако для исследователей это был только первый шаг. «Мы сгруппировали таламические и кортикальные клетки вместе, и они начали самоорганизовываться и устанавливать связи», — пояснил Захаренко. «Но это мог быть просто случайный, неорганизованный процесс. Нам нужно было посмотреть, могут ли они проявлять характеристики синаптической пластичности таламокортикальных и кортикоталамических синапсов».

Построение точной модели

Главным препятствием в области органоидов была селективность. Существует много типов нейронов, которые общаются по-разному в зависимости от нейротрансмиттеров, которые они производят. Исследователи использовали систему клеточной культуры, чтобы выбрать почти исключительно (>80%) нейроны, которые общаются посредством высвобождения нейротрансмиттера глутамата. Это позволило исследователям надежно измерить синаптическую пластичность с помощью электрофизиологических инструментов для отдельных клеток и визуализации высокого разрешения.

Долгосрочное укрепление и ослабление нейронных связей являются признаками пластичности; по мере формирования новых мостов старые необходимо разрушать. Наблюдая за передачей сигналов глутамата, исследователи подтвердили, что два разных нейрона отражают поведение таламокортикальной системы в человеческом мозге и, что важно, реконтекстуализируют то, что было смоделировано ранее.

«Мы обнаружили, что можем применять те же схемы стимуляции, которые применялись к другим моделям животных, и ассемблоиды делали то же самое, но с несколько иным механизмом», — подчеркнул Захаренко.

Хотя ни одна модельная система не может рассказать полную историю, добавление таких органоидов и ассемблоидов в инструментарий неврологических исследований является благом для этой области. Например, модель таламокортикального ассемблоида несет в себе огромный потенциал в изучении неврологических или психиатрических расстройств.

«Мы знаем, что таламокортикальные дефициты возникают при шизофрении, аутизме и других психических расстройствах , поэтому теоретически мы можем извлечь клетки из пациента или ввести мутацию, вызывающую заболевание, в здоровые клетки человека и создать ассемблоидную модель конкретного заболевания», — сказал Захаренко. «С помощью этой модели мы затем можем изучать синаптическую пластичность как следствие известной мутации».