새로운 연구에 따르면 과학자들은 실험실에서 소형의 뇌를 만들어 복잡한 네트워크를 형성하고 조산아의 뇌가 발사 한 것과 비슷한 뇌파를 생성했다고한다.
실험실에서 미니어처 두뇌를 성장시키는 아이디어는 새로운 것이 아닙니다. 연구원들은 거의 10 년 동안 그렇게 해왔습니다. 그러나 대부분의 연구는 이러한 소형 뇌 또는 "유기체"를 사용하여 대규모 구조를 연구했습니다.
예를 들어 한 그룹은 혈관을 성장시킬 수있는 미니 뇌를 개발했다고 Live Science는 이전에보고했습니다. 또 다른 그룹은 미니 뇌를 Zika 바이러스에 노출시켜 그것이 비정상적으로 작은 머리 또는 소두증으로 이어질 수있는 방법을 이해했습니다.
그러나 자폐증, 정신 분열증, 양극성 장애 및 우울증과 같은 조건에서 "뇌는 손상되지 않고 문제는 네트워크의 운영에 의존합니다."라고 연구 수석 저자 인 Alysson Muotri는 샌디에고 캘리포니아 대학교의 줄기 세포 프로그램 책임자. 실험실에서 자란 뇌가 강한 뇌파를 생성하는 복잡한 뉴런 네트워크를 형성 한 것은 이번이 처음입니다.
이를 위해 Muotri와 그의 팀은 인간의 줄기 세포를 수확했습니다. 인간 줄기 세포는 사람들의 피부와 혈액에서 파생 된 올바른 지시에 따라 어떤 세포 유형 으로든 변형 될 수 있습니다. 연구팀은이 줄기 세포를 화학적 지시에 노출시켜 세포를 뇌 세포로 전환시켰다.
대부분의 경우, 이들 세포는 신경 전구체 세포, 뇌-특이 적 세포를 형성하여 많은 유형의 뇌 세포를 증식시키고 야기 할 수있다. 실험실 접시에서 2-5 개월 후, 이들 선조 세포는 글루타메이트 성 뉴런, "흥분성"인 뇌 세포, 또는 정보를 전파하는 뇌 세포를 형성한다.
약 4 개월 후, 미니 뇌는 흥분성 뉴런 생성을 중단하고 성상 세포를 만들기 시작했습니다. 이 뇌 세포는 신경 전달 물질 또는 뇌 화학 물질이 정보를 전달하는 뇌 세포 사이의 간극 인 시냅스를 형성하는 데 도움이됩니다. 마지막으로, 선조 세포는 억제 뉴런을 만들기 시작하여 뇌 활동을 중단 시키거나 뉴런이 정보를 전달하지 못하게합니다. Muotri는“이제 우리는 흥분과 억제의 균형을 맞추기 때문에 활동이 더욱 복잡해지기 시작했다.
Muotri 박사는 세포가 분열되고 분화되는 동안 결국 인간 피질과 유사한 것으로 스스로 조직되기 시작했다고 Muotri는 말했다. 피질은 뇌의 외층으로, 의식에서 중요한 역할을합니다.
"미니 뇌"는 사실 인간 뇌의 소형 버전처럼 보이지 않습니다. 오히려, 그들은 자란 붉은 수프에 떠 다니는 흰색의 구형 구형이라고 Muotri는 말했다. 그들은 직경이 0.2 인치 (0.5 센티미터)까지만 자랐지 만, 신경망은 멈추기 전에 9 ~ 10 개월 동안 계속 진화했다고 그는 말했다.
연구팀은 미니 뇌의 성장 과정에서 뉴런에 연결되어 뇌 활동을 측정하는 작은 전극 세트를 사용했습니다. 연구원들은 약 2 개월 후, 미니 뇌의 뉴런이 산발적 인 신호를 모두 같은 빈도로 발사하기 시작했다는 것을 발견했습니다. 몇 달이 더 발달 한 후 뇌는 서로 다른 주파수로 더 규칙적으로 신호를 발사하여 더 복잡한 뇌 활동을 나타냅니다.
이전의 연구에 따르면 실험실에서 생성 된 소형 뇌가 뇌 세포를 발사 할 수 있다고 연구자들은 분당 3,000 번 정도 발사한다고 밝혔다. 그러나이 연구에서 뉴런은 분당 300,000 번 가까이 발사되었고, 이는 "인간의 두뇌에 더 가깝다"고 말했다.
그런 다음 팀은 기계 학습 알고리즘을 사용하여 이러한 미니 두뇌의 두뇌 활동을 조산아의 두뇌 활동과 비교했습니다. 연구원들은 6 개월에서 9 개월 반 사이에 39 명의 미숙아로부터 기록 된 뇌파를 배우도록 프로그램을 훈련 시켰습니다.
그런 다음 과학자들은 미니 뇌의 뇌파 패턴을 알고리즘에 공급했으며 25 주간의 미니 뇌 발달 후 더 이상 인간 뇌에서 나온 데이터와 실험실에서 자란 뇌에서 추출한 데이터를 구별 할 수 없음을 발견했습니다. Muotri는“이것은 혼란스럽고 두 사람 모두 나이가 비슷하다”고 말했다. 이는 미니 뇌와 인간의 뇌가 비슷하게 성장하고 발전하고 있음을 시사한다.
존스 홉킨스 동물 실험 대안 센터 소장 인 토마스 하트 룽 (Thomas Hartung) 박사는“이 연구는 인간의 발달에 매우 근본적인 과정을 다룰 수있는이 재현 가능한 실험 시스템을 만들 수 있다는 점을 매우 훌륭하게 보여준다”고 밝혔다. 실험실에서 미니 뇌 개발에 참여했지만 연구에 참여하지 않은 사람.
"배아 뇌의 접근이 불가능한 이유는이 모델들이 다른 무언가를 제공하는 이유 중 하나"라고 그는 말했다. "그러나 그것은 또한 당신이 그것의 진짜 것을 말할 기회가 매우 제한되어 있다는 것을 의미합니다." 그는 뇌파 신호가 조산아의 신호와 비슷하지만 타이밍이 약간 벗어난 것이라고 덧붙였다.
인간 배아가 어머니에게 연결되어 외부로부터 신호를받는 동안, 실험실에서 자란이 두뇌는 아무 것도 연결되지 않습니다. Hartung은“이러한 셀은 입력이 없거나 출력이 없어서 세상에서 일어나는 일을 인식 할 수 없다”고 말했다. 그래서 그들은 "확실히"의식이 없습니다.
Muotri는 이것이 대부분의 과학자들이 동의 할 것이지만 "말하기 어렵다"고 말했다. "우리의 신경 과학자들은 심지어 그들이 의식적인지 아닌지를 확인하기 위해 실제로 조사 할 수있는 측정치에 동의하지도 않습니다."
인간의 뇌는 환경과 상호 작용할 수 있도록 신호를 보냅니다. 예를 들어, 버그를보고, 눈은 뇌 세포에 신호를 보내고, 서로 신호를 보내며, 버그를보고 있음을 알려줍니다.
그렇다면 왜 실험실에서 자란 두뇌가 신호를 보내는가? 그들은 무엇에 대해 이야기하고있을 수 있습니까? Muotri 박사는“배아 뇌는 실제로 블랙 박스이기 때문에 우리가 모르는 문제이다. 이 초기 단계의 대부분의 신호는 "자기 배선"또는 서로 연결하라는 지시가 포함되어 있다고 그는 말했다.
어쨌든 그는 이와 같은 연구가 초기 뇌 배선이 복잡한 뇌를 일으키는 방법과 배선이 잘못 될 때 어떤 일이 발생하는지 이해하는 데 도움이되기를 희망한다고 말했다.
Muotri와 그의 팀은 이제 9 ~ 10 개월 이상 발전 할 수 있는지 뇌 오가 노이드를 더 자극 할 수 있기를 희망한다고 말했다. 또한 연구원들은 자폐증이있는 어린이에게서 채취 한 세포로 뇌 오가 노이드를 생성하여 뇌 네트워크가 어떻게 발달하는지 이해함으로써 뇌 장애를 모델링하려고합니다.
이번 연구 결과는 오늘 Cell Stem Cell 저널에 발표되었다 (8 월 29 일).
