Группа ученых из Университета Калифорнии вырастила в чашке Петри кусок коры головного мозга человека и впервые зафиксировала в нем электрическую активность, похожую на активность мозга младенцев, родившихся недоношенными. Корреспондент «Чердака» выяснил, в чем особенность этого открытия.

Мозг и ритмы

Нейробиологи уже давно выяснили, что формирующийся мозг испускаетспонтанные электрические импульсы. Не до конца понятно, почему это происходит, но ясно, что электрическая активность — признак живой ткани. При этом в раннем младенчестве, пока связи между нейронами только формируются, их электрическая активность довольно хаотична, без явно выраженных паттернов. Зато мозг взрослого человека «пульсирует» весьма ритмично, и эти «передачи», получившие названия альфа-волн (в полосе частот от 8 до 14 Гц), бета-волн и так далее до лямбды, отличаются по частоте и амплитуде волн.

Вообще, связь разных ритмов мозга с разными состояниями сознания, типами поведения, психическими отклонениями и даже отдельными категориями мышления сама по себе давно не новость. Например, бета-ритм фиксируется, когда человек бодрствует и концентрирует на чем-то внимание, а вот дельта-ритм (медленные волны) наблюдается, когда мы спим. По причине такой связи электрические колебания мозга — возможный признак процесса, во время которого группы нейронов продуцируют сознание и поведение наблюдаемого животного. Эксперименты на новорожденных мышах показали, что определенные паттерны мозговой активности появляются у них непосредственно до и сразу после рождения. Однако зафиксировать, когда именно возникает электрическая активность мозга у эмбрионов человека, практически невозможно — из-за технических сложностей и юридических тонкостей, так что мы до сих пор не понимаем, как формируется мозговая активность у людей и в какой момент это начинает происходить.

Мозги в чашке

А теперь вот группа нейробиологов из Университета Калифорнии сделала новый шаг к пониманию электрической активности мозга человека. Выращенные ими нейроны коры головного мозга впервые испустили электрический сигнал, похожий на сигнал живого человеческого мозга. Группа под руководством доктора Алиссона Муотри взяла плюрипотентные стволовые клетки от взрослого человека и вырастила из них в чашках Петри сотни культур нейронных клеток коры головного мозга, которая занимается познанием и обработкой сенсорной информации. Культура выглядит как уменьшенная трехмерная модель настоящей коры, воспроизводя ее структуру как на уровне клеток, так и на уровне молекулярных процессов. Взяв на пробу отдельные клетки, ученые подтвердили, что там экспрессируется тот же набор генов, что и в настоящих развивающиеся клетках мозга. В течение всего времени роста клеток ученые методом электроэнцефалографии (ЭЭГ) фиксировали электрическую активность на их поверхности. Через шесть месяцев наблюдения одна из клеточных культур начала испускать электрические импульсы с более высокой частотой, чем другие образцы «мини-мозгов», что очень удивило команду.

Группа нейронов коры мозга, выращенная в чашке Петри, показывала необычные паттерны ЭГГ. Решив проверить, на что это может быть похоже, ученые применили нейросеть, которую обучили отличать друг от друга электроэнцефалограммы разных мозговых ритмов на разных стадиях развития мозга. Оказалось, что паттерны электрической активности выращенных в чашке «мини-мозгов» совпадают с активностью мозга младенцев, рожденных на 25—39 неделе после зачатия, то есть недоношенными. До сего момента у ученых не было свидетельств того, что искусственно выращенные структуры могут создавать нейронную активность, похожую на активность человеческого мозга, пусть и недоразвитого.

Ходжин Сан, нейробиолог из Университета Пенсильвании, считает, что такое сходство показывает, что органоиды вполне можно использовать, чтобы изучать расстройства развития мозга, такие как эпилепсия или аутизм. Кроме того, с их помощью можно изучать, как в принципе возникают ЭЭГ-ритмы в человеческих мозгах. Сампса Ванхалато, нейрофизиолог из Университета Хельсинки говорит, что, если мини-мозги испускают те же волны, что и мозги младенцев, это вовсе не значит, что они и функционируют так же. А доказать это будет крайне сложно, потому что ученые в принципе мало знают о том, как устроены мозги младенцев. Вопрос, могут ли такие искусственные мозги развить сознание, хоть и встает, но непонятно, как на него отвечать, поскольку ученые до сих пор не могут определить, что, собственно, считать сознанием у взрослых и когда оно появляется у детей. Как говорит сам руководитель исследования Алиссон Муотри, выращенные клетки коры даже не близки к тому, чтобы стать настоящим человеческим мозгом. Они не содержат все виды клеток, содержащихся в коре, и не соединены с другими регионами мозга.

Сотрудник кафедры высшей нервной деятельности МГУ Инга Полетаева также отмечает, что ничего особенно сенсационного в данном исследовании нет — просто ученые научились делать органоиды из клеток эмбриональной коры, которые в чем-то моделируют активность организованных клеточных групп, но ритмичные электрические импульсы ранее наблюдались и в культурах крысиных и мышиных клеток. Причем более ранние эксперименты показали, что спонтанная электрическая активность может возникать уже в культуре из всего лишь 12 клеток.

Теперь группа собирается растить культуры нейронов в течение еще более длительного времени, чтобы увидеть, какие еще сюрпризы они преподнесут. Исследователи хотят выяснить, смогут ли функционировать такие структуры как обычная кора мозга — для этого их будут соединять с некими устройствами, которые эмулируют деятельность других отделов мозга или тела.