เซลล์สมองของมนุษย์เติบโตในหนู และสัมผัสได้ถึงสิ่งที่หนูรู้สึก

นักวิทยาศาสตร์ได้ประสบความสำเร็จในการปลูกถ่ายเซลล์ประสาทของมนุษย์กลุ่มหนึ่งไปยังสมองของหนูแรกเกิด ซึ่งเป็นผลงานที่โดดเด่นของวิศวกรรมชีวภาพที่อาจให้แบบจำลองที่สมจริงมากขึ้นสำหรับสภาวะทางระบบประสาท เช่น ออทิสติก และเป็นวิธีในการฟื้นฟูสมองที่ได้รับบาดเจ็บ

ในการศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อวันพุธ นักวิจัยจากสแตนฟอร์ดรายงานว่ากลุ่มเซลล์ของมนุษย์ที่เรียกว่า “ออร์แกนอยด์” เติบโตเป็นเซลล์ประสาทใหม่หลายล้านเซลล์และเชื่อมโยงตัวเองเข้ากับระบบประสาทใหม่ เมื่อออร์กานอยด์ได้เสียบเข้าไปในสมองของหนูแล้ว สัตว์เหล่านี้สามารถรับสัญญาณประสาทสัมผัสจากหนวดของพวกมันและช่วยสร้างสัญญาณคำสั่งเพื่อเป็นแนวทางในการเคลื่อนที่ของพวกมัน

Dr. Sergiu Pasca นักประสาทวิทยาซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยกล่าวว่าขณะนี้เขาและเพื่อนร่วมงานของเขากำลังใช้เซลล์ประสาทที่ปลูกถ่ายเพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับชีววิทยาที่เป็นต้นเหตุของออทิซึม โรคจิตเภท และความผิดปกติของพัฒนาการอื่นๆ

“ถ้าเราต้องการจัดการกับชีววิทยาของเงื่อนไขเหล่านี้จริงๆ เราต้องการแบบจำลองที่ซับซ้อนมากขึ้นของสมองมนุษย์” ดร. ปาสคากล่าว

ในปี 2009 หลังจากการฝึกอบรมด้านการแพทย์ในโรมาเนีย ดร. Pasca ได้เข้าร่วมกับสแตนฟอร์ดในฐานะนักวิจัยหลังปริญญาเอกเพื่อเรียนรู้วิธีสร้างเซลล์ประสาทของมนุษย์ในจาน เขาและเพื่อนร่วมงานเอาเซลล์ผิวจากอาสาสมัครมาอาบน้ำด้วยสารเคมีที่ทำให้พวกมันเปลี่ยนลักษณะนิสัย ตอนนี้พวกมันเป็นเหมือนเซลล์ตัวอ่อน ซึ่งสามารถกลายเป็นเนื้อเยื่อใดๆ ในร่างกายได้

นักวิจัยได้เกลี้ยกล่อมเซลล์ให้พัฒนาเป็นเซลล์ประสาทด้วยการเติมสารเคมีมากขึ้น จากนั้นพวกเขาสามารถสังเกตพัลส์ของแรงดันไฟฟ้าที่ยิงลงมาตามความยาวของเซลล์ประสาทขณะวางในจาน

ดร.ปาสคาและเพื่อนร่วมงานได้ทำการทดลองแบบเดิมอีกครั้ง โดยครั้งนี้ใช้เซลล์ผิวหนังจากผู้ที่มีอาการทิโมธี ซึ่งเป็นโรคออทิซึมรูปแบบหนึ่งที่หายากซึ่งเกิดจากการกลายพันธุ์เพียงครั้งเดียวซึ่งนำไปสู่ปัญหาหัวใจร้ายแรง ตลอดจนความบกพร่องทางภาษาและทักษะทางสังคม

การเติบโตของเซลล์ประสาท Timothy ในจาน ดร. Pasca สามารถเห็นความแตกต่างระหว่างเซลล์เหล่านี้กับเซลล์ประสาททั่วไปได้ พวกเขาผลิตสารเคมีส่งสัญญาณจำนวนมากเช่นโดปามีนเป็นต้น

แต่การตรวจสอบเซลล์เดียวสามารถเปิดเผยเบาะแสเกี่ยวกับเงื่อนไขได้จำนวนจำกัด ดร. Pasca สงสัยว่าเขาสามารถเรียนรู้เพิ่มเติมได้โดยการศึกษาเซลล์ประสาทหลายพันเซลล์ที่เชื่อมต่อกันในวงจรที่เรียกว่าอวัยวะในสมอง

สูตรทางเคมีใหม่ทำให้ Dr. Pasca สามารถเลียนแบบสภาพภายในสมองที่กำลังพัฒนาได้ เมื่ออาบน้ำในน้ำซุปนี้ เซลล์ผิวหนังจะกลายเป็นเซลล์สมองต้นกำเนิด ซึ่งจะกลายเป็นเซลล์ประสาทที่พันกันซึ่งพบในชั้นนอกของสมอง เรียกว่าเยื่อหุ้มสมอง

ในการศึกษาในภายหลัง เขาและเพื่อนร่วมงานเชื่อมโยงออร์กานอยด์สามชนิดเข้าด้วยกัน อันหนึ่งทำจากคอร์เทกซ์ อีกอันของไขสันหลัง และหนึ่งในสามของเซลล์กล้ามเนื้อ การกระตุ้นคอร์เทกซ์ออร์แกนอยด์ทำให้เซลล์กล้ามเนื้อหดตัว

แต่สารอินทรีย์ยังห่างไกลจากการเป็นสมองขนาดเล็ก ประการหนึ่ง เซลล์ประสาทของพวกมันยังคงมีลักษณะแคระแกรน อีกประการหนึ่ง พวกมันไม่ได้ทำงานด้วยไฟฟ้าเหมือนกับเซลล์ประสาททั่วไปในสมองที่มีชีวิต ดร. Pasca กล่าวว่า “เป็นที่ชัดเจนว่ามีข้อ จำกัด หลายประการสำหรับโมเดลเหล่านี้

นักวิทยาศาสตร์เริ่มใส่สารอินทรีย์ในสมองที่มีชีวิต โดยตั้งทฤษฎีว่าจานเพาะเชื้อจำกัดการพัฒนาของสารอินทรีย์ ในปี 2018 นักประสาทวิทยา Fred Gage และเพื่อนร่วมงานของเขาที่สถาบัน Salk Institute for Biological Studies ได้ทำการปลูกถ่ายอวัยวะในสมองของมนุษย์เข้าไปในสมองของหนูที่โตเต็มวัย เซลล์ประสาทของมนุษย์ยังคงเติบโตต่อไปในขณะที่สมองของหนูส่งหลอดเลือดมาให้พวกเขา

ตั้งแต่นั้นมา Dr. Gage และนักวิจัยคนอื่นๆ ได้ฝังสารอินทรีย์ไว้ที่ด้านหลังของสมอง โดยที่หนูจะรับรู้สัญญาณจากดวงตาของพวกเขา เมื่อสัตว์เหล่านี้เห็นแสงสีขาวกะพริบเป็นจังหวะ เซลล์ประสาทออร์แกนอยด์ของมนุษย์จะตอบสนองในลักษณะเดียวกับที่เซลล์ของหนูทำ ตามผลการศึกษาที่ตีพิมพ์ออนไลน์เมื่อเดือนมิถุนายนที่ยังไม่ได้รับการตรวจสอบโดยเพื่อน

ดร. Pasca และทีมของเขากำลังทำงานเกี่ยวกับการปลูกถ่ายอวัยวะด้วย แต่พวกเขาเลือกที่จะนำพวกมันไปเลี้ยงในหนูอายุน้อยมากกว่าผู้ใหญ่ หนึ่งหรือสองวันหลังจากหนูเกิด นักวิทยาศาสตร์ได้ฉีดสารออร์แกนอยด์ที่มีขนาดเท่าเมล็ดงาดำเข้าไปในบริเวณของสมองที่เรียกว่าเยื่อหุ้มสมองรับความรู้สึกทางกาย ซึ่งจะประมวลผลการสัมผัส ความเจ็บปวด และสัญญาณอื่นๆ จากทั่วร่างกาย ในหนู บริเวณนี้ไวต่อสัญญาณจากหนวดเป็นพิเศษ

เซลล์ประสาทของมนุษย์เพิ่มจำนวนขึ้นในสมองของหนู จนกระทั่งมีจำนวนประมาณสามล้านเซลล์ คิดเป็นประมาณหนึ่งในสามของเยื่อหุ้มสมองด้านใดด้านหนึ่งของสมองหนู แต่ละเซลล์ในออร์กานอยด์เติบโตนานกว่าในจานเพาะเชื้อถึงหกเท่า เซลล์ยังทำงานเหมือนเซลล์ประสาทในสมองของมนุษย์อีกด้วย

ที่เด่นชัดกว่านั้นคือ อวัยวะภายในของมนุษย์นั้นเชื่อมโยงตัวเองเข้ากับสมองของหนูโดยธรรมชาติ พวกเขาไม่เพียงเชื่อมต่อกับเซลล์ประสาทที่อยู่ใกล้เคียงเท่านั้น แต่ยังเชื่อมต่อกับเซลล์ประสาทที่อยู่ห่างไกลอีกด้วย

การเชื่อมต่อเหล่านั้นทำให้เซลล์ประสาทของมนุษย์ไวต่อความรู้สึกของหนู เมื่อนักวิจัยพ่นลมเหนือหนวดของหนู อวัยวะภายในของมนุษย์ก็ส่งเสียงตอบรับ

Dr. Pasca และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ทำการทดลองเพื่อดูว่าออร์กานอยด์ส่งผลต่อพฤติกรรมของหนูอย่างไร โดยใช้น้ำพุในห้องของพวกมัน

หลังจากฝึกมา 15 วัน หนูได้เรียนรู้ว่าพวกเขาสามารถดื่มน้ำจากน้ำพุได้เมื่อได้รับสารอินทรีย์จากพวกมัน เห็นได้ชัดว่าอวัยวะภายในของมนุษย์กำลังส่งข้อความไปยังบริเวณที่แสวงหารางวัลในสมองของหนู

การทดลองผสมผสานสายพันธุ์เหล่านี้ทำให้เกิดคำถามทางจริยธรรมที่ยั่วยุ ก่อนเริ่มงาน ดร. Pasca ปรึกษากับผู้เชี่ยวชาญที่ศูนย์กฎหมายและชีววิทยาศาสตร์แห่งสแตนฟอร์ด ซึ่งกระตุ้นให้เขาใส่ใจเป็นพิเศษกับความเจ็บปวดและความเป็นอยู่ของสัตว์

Henry Greely ศาสตราจารย์ด้านกฎหมายของ Stanford กล่าวว่า “คุณไม่เพียงแค่กังวลว่าจะมีหนูกี่ตัวในกรง หรือพวกมันกินอาหารได้ดีเพียงใด “นี่เป็นสิ่งใหม่ คุณไม่รู้ว่าคุณจะเห็นอะไร”

ทีมงานของ Dr. Pasca ไม่พบหลักฐานว่าหนูมีอาการปวด มีแนวโน้มที่จะชัก หรือสูญเสียความทรงจำหรือการควบคุมการเคลื่อนไหวของพวกมัน “ปรากฎว่าหนูเหล่านี้ทนต่อการรับสินบนของมนุษย์ได้ดีมาก” ดร. ปาสคากล่าว

Giorgia Quadrato นักประสาทวิทยาจากมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนียซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษาใหม่นี้ ตั้งข้อสังเกตว่าอวัยวะภายในของมนุษย์ไม่ได้ทำให้หนูมีความเป็นมนุษย์มากขึ้น ตัวอย่างเช่น ในการทดสอบการเรียนรู้ พวกเขาทำคะแนนได้ไม่ดีไปกว่าหนูตัวอื่นๆ

“พวกมันคือหนู และพวกมันยังคงเป็นหนู” ดร.ควอดราโตกล่าว “สิ่งนี้ควรสร้างความมั่นใจจากมุมมองทางจริยธรรม”

แต่นั่นอาจไม่เป็นความจริงหากนักวิทยาศาสตร์ใส่อวัยวะของมนุษย์ไว้ในญาติสนิทของมนุษย์ เช่น ลิงหรือชิมแปนซี “จะเป็นโอกาสที่ดีที่จะกำหนดแนวทางการดำเนินงานตามกรอบจริยธรรมที่ถูกต้องในอนาคต” เธอกล่าว

ดร. Pasca กล่าวว่าความคล้ายคลึงกันระหว่างไพรเมตกับมนุษย์อาจทำให้ออร์กานอยด์เติบโตมากขึ้นและมีบทบาทมากขึ้นในกระบวนการทางจิตของสัตว์ “ไม่ใช่สิ่งที่เราจะทำหรือสนับสนุนให้ทำ” เขากล่าว

เขาใช้ออร์แกนอยด์ที่ฝังเพื่อศึกษาความผิดปกติทางระบบประสาทแทน ในการทดลองหนึ่ง ทีมของ Dr. Pasca ได้ฝังอวัยวะออร์กานอยด์จากผู้ป่วยที่มีอาการทิโมธีซินโดรมที่ด้านหนึ่งของสมองของหนู และฝังออร์แกนอยด์อีกตัวหนึ่งโดยไม่มีการกลายพันธุ์ในอีกด้านหนึ่ง

สารอินทรีย์ทั้งสองเติบโตในหนู แต่เซลล์ประสาทกลุ่มอาการทิโมธีพัฒนาสาขามากเป็นสองเท่าเพื่อรับสัญญาณขาเข้าที่เรียกว่าเดนไดรต์ ยิ่งไปกว่านั้น เดนไดรต์ยังสั้นลงอีกด้วย

ดร. Pasca หวังว่าเขาจะสามารถสังเกตเห็นความแตกต่างในพฤติกรรมของหนูเมื่อพวกมันนำสารออร์แกนอยด์ในสมองจากผู้ที่เป็นโรคออทิซึมและอาการทางระบบประสาทอื่นๆ การทดลองดังกล่าวสามารถช่วยเผยให้เห็นว่าการกลายพันธุ์บางอย่างเปลี่ยนแปลงวิธีการทำงานของสมองอย่างไร

ดร.ไอแซก เฉิน ศัลยแพทย์ด้านประสาทและนักวิจัยออร์แกนอยด์จากมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยนี้ มองเห็นความเป็นไปได้อีกประการหนึ่งในการศึกษาใหม่ นั่นคือ การซ่อมแซมอาการบาดเจ็บที่สมองของมนุษย์

ดร.เฉินจินตนาการถึงอวัยวะในสมองที่กำลังเติบโตจากผิวหนังของคนไข้ที่มีเยื่อหุ้มสมองเสียหาย เมื่อฉีดเข้าไปในสมองของผู้ป่วยแล้ว ออร์กานอยด์อาจเติบโตและเชื่อมต่อกับเซลล์ประสาทที่แข็งแรง

“ความคิดนี้มีออกมาแน่นอน” เขากล่าว “มันก็แค่เรื่องของ เราจะใช้ประโยชน์จากมันอย่างไร และก้าวไปสู่ระดับต่อไปได้อย่างไร”