Восстановив схему человеческого мозга в «тарелке», исследователи выявили, что таламус является скрытым проводником, управляющим тем, как подключается кора головного мозга.
Аксоны в таламусе (розовые) тянулись к коре головного мозга, в то время как аксоны в коре головного мозга (зеленые) тянулись к таламусу через 14 дней после слияния. Автор: Фумитака Осакада
Исследовательская группа из Японии успешно воссоздала ключевые нейронные цепи человека в лаборатории, используя крошечные модели мозга с несколькими регионами, называемые ассемблоидами. Эти структуры выращены из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPS) и предназначены для имитации того, как различные части человеческого мозга соединяются и взаимодействуют друг с другом. Используя эту систему, ученые показали, что таламус играет центральную роль в формировании специализированных нейронных цепей в коре головного мозга человека.
Исследование было опубликовано в журнале Proceedings Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки.
Почему важны нейронные цепи коры головного мозга
Кора головного мозга содержит множество различных типов нейронов, которые должны эффективно взаимодействовать друг с другом и с другими областями мозга. Эти связи необходимы для основных функций мозга, включая восприятие, мышление и когнитивные способности.
У людей с нарушениями развития нервной системы, такими как расстройства аутистического спектра (РАС), эти кортикальные цепи часто развиваются или функционируют ненормально. Поэтому понимание того, как формируются и созревают нейронные цепи, имеет решающее значение для выявления биологических корней этих расстройств и разработки новых методов лечения.
Таламус и его роль в мозговых связях
Более ранние исследования на грызунах показали, что таламус играет важную роль в организации нейронных цепей в коре головного мозга. Однако, как таламус и кора взаимодействуют во время формирования цепей в мозге человека, оставалось в значительной степени неизвестным.
Изучать этот процесс непосредственно у людей сложно из-за этических и технических ограничений на получение мозговой ткани. Чтобы преодолеть эти трудности, ученые обратились к органоидам, которые представляют собой трехмерные структуры, выращенные из стволовых клеток и напоминающие настоящие органы.
От органоидов к ассемблоидам
Хотя органоиды полезны, один органоид не может охватить сложные взаимодействия между различными областями мозга. Для более реалистичного изучения формирования нейронных цепей исследователи используют ассемблероиды, которые создаются путем физического объединения двух или более органоидов.
Профессор Фумитака Осакада, аспирант Масатоши Нисимура и их коллеги из Высшей школы фармацевтических наук Университета Нагои разработали ассемблероиды, моделирующие взаимодействие между таламусом и корой головного мозга.
Сначала команда создала отдельные органоиды коры и таламуса из iPS-клеток человека. Затем эти органоиды были объединены, что позволило исследователям наблюдать за взаимодействием двух областей мозга по мере их развития.
Мини-схемы мозга, которые ведут себя как настоящие
Исследователи заметили, что нервные волокна от таламуса растут к коре головного мозга, в то время как кортикальные волокна тянутся к таламусу. Эти волокна образуют синапсы друг с другом, что очень напоминает связи, наблюдаемые в человеческом мозге.
Чтобы оценить, как это взаимодействие повлияло на развитие, команда сравнила экспрессию генов в кортикальной области ассамблоида с экспрессией отдельных кортикальных органоидов. Кортикальная ткань, соединенная с таламусом, показала признаки большей зрелости, что указывает на то, что взаимодействие с таламусом и корой способствует росту и развитию коры.
Таламические сигналы управляют нейронной синхронизацией
Ученые также исследовали, как сигналы проходят через систему сборки. Они обнаружили, что нейронная активность распространяется из таламуса в кору головного мозга волнообразно, создавая синхронизированную активность во всех кортикальных сетях.
Чтобы понять, какие нейроны были задействованы, команда измерила активность трех основных типов возбуждающих нейронов коры головного мозга: интрателенцефальных (IT), пирамидных путей (PT) и кортикоталамических (CT).
Синхронная активность наблюдалась в нейронах PT и CT, которые посылают сигналы обратно в таламус. Нейроны IT, которые не проецируются в таламус, не демонстрировали такой же синхронизации. Это говорит о том, что таламический сигнал избирательно усиливает определенные типы нейронов, помогая им формировать скоординированные сети и функционально совершенствоваться.
Новый инструмент для изучения нарушений работы мозга
Успешно воссоздав нейронные цепи человека с помощью ассемблеров, исследователи создали новую мощную платформу для изучения того, как мозговые цепи формируются, функционируют и различаются в зависимости от типа клеток.
Осакада объяснил более широкое значение этой работы, сказав: «Мы добились значительного прогресса в конструктивистском подходе к пониманию человеческого мозга, воспроизвев его. Мы считаем, что эти результаты помогут ускорить открытие механизмов, лежащих в основе неврологических и психических расстройств, а также разработку новых методов лечения».