Стовбурові клітини, відправлені у вільне плавання, сформували структури, дуже схожі на кору півкуль людського мозку.
Про те, що відбувається всередині мозку, ми можемо дізнатися за допомогою функціональної магнітно-резонансної томографії (фМРТ) - вона дозволяє побачити активність в тих чи інших ділянках нервової тканини і досить точно зіставити цю активність з виконанням того чи іншого завдання. Але ми не зможемо дізнатися про мозок все, якщо не проникнемо на клітинний рівень, на рівень нейронів і міжнейронних контактів - синапсів, на рівень допоміжних глиальних клітин, які не тільки живлять нейрони, але і втручаються в проведення нейрохімічного сигналу. Причому слід пам'ятати, що нейронних різновидів існує багато. Наприклад, якщо ми уважно розглянемо кору півкуль, ми виявимо в ній шість шарів, що відрізняються один від одного за співвідношенням нейронів різного типу. Щоб зрозуміти, як на молекулярно-клітинному рівні реалізуються вищі когнітивні функції (а саме ними і займається кора), нам потрібно до тонкощів зрозуміти пристрій і взаємозв'язок її шарів між собою.
Щось, звичайно, можна дослідити на мізках гризунів і приматів. Крім того, часто взаємодію нейронів вивчають у клітинній культурі: клітини живуть у живильному середовищі на дні якогось лабораторного посудину, а нейробіологи стежать, як у них, наприклад, змінюється сила синапсів у відповідь на ті чи інші подразники. В результаті можна зробити якісь висновки про причини шизофренії, аутизму та інших когнітивних порушень - адже в разі таких патологій порушується якраз нейронна архітектура, взаємозв'язок нейронів один з одним. Але плаский шар культури клітин - все-таки не кора з її шістьма шарами. Інший спосіб полягає в аналізі зразків, узятих у померлих людей. Чи треба говорити, що тут весь час потрібно пам'ятати про посмертні зміни в клітинному пристрої, та й проведення сигналу в таких зразках вивчати неможливо. В ідеалі хотілося б, щоб у нас в руках була об'ємна клітинна модель, яка повністю відтворює той чи інший елемент структури мозку, якщо не весь мозок. Експерименти дослідників зі Стенфордського університету нас до такого ідеалу помітно наближають.
Зрозуміло, справа не обійшлася без стовбурових клітин - Серджіу Паска (Sergiu Pasca) і його колеги отримали з людської шкіри індуковані стовбурові клітини і потім перетворили їх на нейрони. Зараз це вже майже стандартна процедура: диференційовані клітини змушують «згадати молодість», коли вони були стовбуровими і не вміли нічого робити, крім як ділитися. Зате їх можна перетворити на будь-який інший клітинний тип, потрібно лише направити їх потрібним шляхом за допомогою молекулярних сигналів. Спочатку все йшло як зазвичай: штучні стовбурові клітини росли плоским шаром у культуральному посуді. Але потім їх відокремили з дна і пересадили в спеціальне нове «місце проживання», де вони вже не могли міцно прикріпитися до стінок або на дно. За кілька годин клітини об'єдналися в мікрошарики, в яких продовжували ділитися. І ось тут-то у них запустили перетворення на клітини нервової тканини.
Як пишуть автори роботи в Nature Methods, через сім тижнів 80% клітин за молекулярними та іншими ознаками стали схожі на нервові. Причому 7% перетворилися не на нейрони, а на гліальні астроцити, які підтримують і живлять нейрони, захищають їх від проникнення шкідливих речовин з крові, а також регулюють нейронну активність. Досі не вдавалося виростити і нейрони, і ті, що підтримують їх клітини з одного стовбурового матеріалу, доводилося користуватися сторонніми астроцитами, отриманими від іншої лінії стовбурових клітин, що означало, що генетично ті й інші виявлялися різними - тоді як в мозку всі клітини несуть однакові гени. Тепер же, мабуть, ця скрута зникне.
Але найголовніше з'ясувалося, коли проаналізували структуру клітинних комплексів (їх назвали кортикальними сфероїдами) - виявляється, їх архітектура була схожа на ту, яка є в корі півкуль. Причому 80% нейронів відповідали на зовнішній стимул, а 86% демонстрували спонтанну активність і утворювали один з одним нейронні ланцюжки, передаючи сигнал один одному. Іншими словами, вдалося отримати досить правдоподібну тривимірну модель кори мозку.
Останнім часом дослідники все частіше звертаються до методів 3D-культивування клітин, оскільки так ми краще зрозуміти те, що відбувається в природі. Адже коли формується тканина або орган, вони ростуть і розвиваються за всіма напрямками, клітини, що входять до їх складу, відчувають своїх сусідів з усіх боків. Саме такий всебічний контакт необхідний для правильного розвитку, правильної реалізації генетичних програм, для правильного диференціювання. Хитрощі тут використовують різні: наприклад, співробітники Університету Райса вирощували легеневу бронхіолу за допомогою магнітної левітації - тієї самої, за допомогою якої переміщуються маглеви, поїзди на магнітній подушці.
І це, звичайно, не перша робота, в якій намагаються зробити орган або хоча б його модель «з нуля», зі стовбурового клітинного матеріалу. Однак частіше мова йде про більш прості органи - наприклад, минулого року ми писали про «мінішлунок», який вдалося зробити в Медичному центрі при дитячій лікарні Цинциннаті. Що ж до мозку, то два роки тому в Nature була опублікована стаття з описом так званого церебрального органоїду - в Інституті молекулярної біотехнології Австрійської академії наук з індукованих стовбурових клітин вдалося отримати тривимірну структуру, дуже схожу мозок 9-тижневого зародку людини. На ній цілком можна вивчати ранні процеси розвитку центральної нервової системи, проте пристрій такого протомозгу набагато простіше пристрою навіть невеликої ділянки повністю сформованої кори. Однак вищеописані свіжі результати дозволяють сподіватися, що скоро у нейробіологів в руках буде справжній «мозок з пробірки» - ну або хоча б якась його частина.