นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างสมองขนาดเล็กในห้องทดลองที่สร้างเครือข่ายที่ซับซ้อนและผลิตคลื่นสมองคล้ายกับที่ถูกพัฒนาโดยสมองกำลังพัฒนาของทารกในครรภ์ก่อนกำหนดตามการศึกษาใหม่
ความคิดในการปลูกสมองขนาดเล็กในห้องทดลองไม่ใช่เรื่องใหม่ นักวิจัยทำมาเกือบสิบปีแล้ว แต่การศึกษาส่วนใหญ่ใช้สมองขนาดเล็กเหล่านี้หรือ "สารอินทรีย์" เพื่อศึกษาโครงสร้างขนาดใหญ่
ตัวอย่างเช่นกลุ่มหนึ่งพัฒนาสมองขนาดเล็กที่สามารถเติบโตหลอดเลือดรายงานวิทยาศาสตร์สดก่อนหน้านี้ อีกกลุ่มหนึ่งได้สัมผัสกับสมองของไวรัส Zika เพื่อเข้าใจว่ามันอาจนำไปสู่การมีหัวเล็กผิดปกติหรือ microcephaly
แต่ในสภาวะเช่นออทิสติก, โรคจิตเภท, โรคอารมณ์แปรปรวนสองขั้วและแม้กระทั่งภาวะซึมเศร้า "สมองยังคงอยู่และปัญหานั้นขึ้นอยู่กับการดำเนินงานของเครือข่าย" Alysson Muotri รองศาสตราจารย์ภาควิชาเวชศาสตร์เซลล์และโมเลกุลกล่าว ผู้อำนวยการโครงการเซลล์ต้นกำเนิดที่มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียซานดิเอโก นี่เป็นครั้งแรกที่สมองที่เกิดจากห้องปฏิบัติการได้สร้างเครือข่ายที่ซับซ้อนของเซลล์ประสาทที่สร้างคลื่นสมองที่แข็งแกร่ง
ในการทำสิ่งนี้ Muotri และทีมของเขาได้ทำการเก็บเซลล์ต้นกำเนิดจากมนุษย์ซึ่งสามารถแปรสภาพเป็นเซลล์ประเภทใดก็ได้โดยได้รับคำแนะนำที่ถูกต้องซึ่งมาจากผิวหนังและเลือดของผู้คน นักวิจัยเปิดเผยเซลล์ต้นกำเนิดเหล่านี้เพื่อคำแนะนำทางเคมีที่จะเปลี่ยนเซลล์เป็นเซลล์สมอง
ส่วนใหญ่เซลล์เหล่านี้ก่อตัวขึ้นเซลล์ประสาทเทียมเซลล์สมองที่เฉพาะเจาะจงที่สามารถแพร่กระจายและก่อให้เกิดเซลล์สมองหลายชนิด หลังจากสองถึงห้าเดือนในจานแล็บเซลล์ต้นกำเนิดเหล่านี้จะสร้างเซลล์ประสาทกลูตามาเทกิคเซลล์สมองที่ "excitatory" หรือเซลล์ที่เผยแพร่ข้อมูล
หลังจากนั้นประมาณสี่เดือนสมองเล็ก ๆ ก็หยุดสร้างเซลล์ประสาท excitatory และเริ่มสร้าง astrocytes เซลล์สมองเหล่านี้ช่วยในการกำหนดรูปร่างของช่องว่างช่องว่างระหว่างเซลล์สมองที่มีสารสื่อประสาทหรือสารเคมีในสมองส่งผ่านข้อมูล ในที่สุดเซลล์ต้นกำเนิดเริ่มทำการยับยั้งเซลล์ประสาทซึ่งดับกิจกรรมของสมองหรือหยุดเซลล์ประสาทจากการส่งผ่านข้อมูล นั่นคือเมื่อ "กิจกรรมเริ่มซับซ้อนมากขึ้นเพราะตอนนี้เราสร้างสมดุลระหว่างการกระตุ้นและการยับยั้ง" Muotri กล่าว
ในขณะที่เซลล์ถูกแบ่งและสร้างความแตกต่างในที่สุดพวกเขาก็เริ่ม "จัดระเบียบตัวเองเป็นสิ่งที่คล้ายกับเยื่อหุ้มสมองของมนุษย์" Muotri กล่าว เยื่อหุ้มสมองเป็นชั้นนอกของสมองซึ่งมีบทบาทสำคัญในการมีสติ
ในความเป็นจริง "สมองขนาดเล็ก" ไม่ใช่สมองขนาดเล็กของมนุษย์ ค่อนข้างพวกมันจะมีสีขาวปนเปื้อนทรงกลมที่ลอยอยู่ในซุปสีแดงที่พวกมันโตขึ้น Muotri กล่าว พวกเขาเติบโตขึ้นมาเพียง 0.2 นิ้ว (0.5 เซนติเมตร) ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง แต่โครงข่ายประสาทของพวกเขายังคงพัฒนาต่อไปเป็นเวลาเก้าถึง 10 เดือนก่อนที่จะหยุดเขากล่าว
ตลอดการเติบโตของสมองขนาดเล็กทีมใช้ชุดขั้วไฟฟ้าเล็ก ๆ ที่เชื่อมต่อกับเซลล์ประสาทเพื่อวัดการทำงานของสมอง นักวิจัยพบว่าในเวลาประมาณสองเดือนเซลล์ประสาทในสมองเล็ก ๆ ก็เริ่มยิงสัญญาณประปรายซึ่งทั้งหมดนี้เกิดขึ้นที่ความถี่เดียวกัน หลังจากนั้นอีกสองสามเดือนของการพัฒนาสมองก็ส่งสัญญาณที่ความถี่ต่าง ๆ และสม่ำเสมอมากขึ้นซึ่งบ่งบอกถึงการทำงานของสมองที่ซับซ้อนมากขึ้นม็อตรีกล่าว
ในขณะที่การศึกษาก่อนหน้าแสดงให้เห็นว่าสมองที่ผลิตจากห้องปฏิบัติการสามารถผลิตเซลล์สมองได้ แต่นักวิจัยรายงานว่ามีการยิงประมาณ 3,000 ครั้งต่อนาที Muotri กล่าว อย่างไรก็ตามในการศึกษานี้เซลล์ประสาทยิงได้ใกล้เคียงกับ 300,000 ครั้งต่อนาทีซึ่งเป็น "ใกล้กับสมองมนุษย์" เขากล่าว
จากนั้นทีมใช้อัลกอริทึมการเรียนรู้ด้วยเครื่องเพื่อเปรียบเทียบการทำงานของสมองของสมองขนาดเล็กเหล่านี้กับสมองของทารกมนุษย์ก่อนกำหนด นักวิจัยได้ฝึกโปรแกรมของพวกเขาเพื่อเรียนรู้คลื่นสมองที่บันทึกจากทารกที่คลอดก่อนกำหนด 39 คนระหว่างอายุ 6 ถึง 9 เดือนครึ่ง
นักวิทยาศาสตร์ได้ป้อนรูปแบบคลื่นสมองจากสมองขนาดเล็กไปยังอัลกอริทึมและพบว่าหลังจากการพัฒนาสมองขนาดเล็ก 25 สัปดาห์มันไม่สามารถแยกความแตกต่างของข้อมูลที่มาจากสมองมนุษย์จากสมองที่เกิดจากห้องปฏิบัติการ “ มันสับสนและให้อายุเท่ากันกับทั้งคู่” ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสมองขนาดเล็กและสมองของมนุษย์เติบโตและพัฒนาในทำนองเดียวกัน Muotri กล่าว
การศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นว่า "เป็นอย่างดีที่คุณสามารถสร้างระบบการทดลองที่ทำซ้ำได้ซึ่งคุณสามารถจัดการกระบวนการที่เป็นพื้นฐานสำหรับการพัฒนาของมนุษย์" ดร. โธมัสฮาร์ตุงผู้อำนวยการศูนย์ Johns Hopkins ทางเลือกสำหรับการทดสอบสัตว์ ผู้ที่ทำงานเกี่ยวกับการพัฒนาสมองขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการ แต่ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษา
"การเข้าไม่ถึงของสมองตัวอ่อนเป็นหนึ่งในสาเหตุที่รูปแบบเหล่านี้เสนอสิ่งที่แตกต่าง" เขากล่าว "แต่มันก็หมายความว่าคุณมีโอกาส จำกัด มากที่จะพูดในความเป็นจริง" ในขณะที่สัญญาณ EEG นั้นคล้ายคลึงกับสัญญาณของทารกก่อนกำหนด
ในขณะที่ตัวอ่อนมนุษย์เชื่อมต่อกับแม่และรับสัญญาณจากภายนอกสมองที่ปลูกในห้องปฏิบัติการเหล่านี้จะไม่เชื่อมต่อกับสิ่งใด “ เซลล์เหล่านี้ไม่มีอินพุตหรือไม่มีเอาต์พุตที่ไม่สามารถรับรู้สิ่งที่เกิดขึ้นในโลกได้” Hartung กล่าว ดังนั้นพวกเขาจึง "ไม่แน่นอน" มีสติ
นั่นคือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เห็นด้วย แต่มันยากที่จะพูด Muotri กล่าว "เรานักประสาทวิทยาไม่เห็นด้วยกับสิ่งที่การวัดที่เราสามารถทำได้เพื่อตรวจสอบเพื่อดูว่าพวกเขามีสติหรือไม่"
สมองของมนุษย์ส่งสัญญาณเพื่อช่วยให้เราโต้ตอบกับสภาพแวดล้อมของเรา ตัวอย่างเช่นเราดูจุดบกพร่องดวงตาส่งสัญญาณไปยังเซลล์สมองซึ่งส่งสัญญาณถึงกันและกันและแจ้งให้เราทราบว่าเราเห็นข้อบกพร่อง
ทำไมสมองที่เพาะเลี้ยงในห้องแล็บจึงส่งสัญญาณ พวกเขาจะพูดถึงอะไรได้บ้าง? “ นั่นเป็นคำถามที่เราไม่รู้เพราะสมองของตัวอ่อนเป็นกล่องดำ” Muotri กล่าว ดูเหมือนว่าสัญญาณส่วนใหญ่ในระยะเริ่มต้นเหล่านี้เกี่ยวข้องกับคำแนะนำในการ "ใช้สายเอง" หรือเชื่อมต่อซึ่งกันและกันเขากล่าว
ไม่ว่าในกรณีใดเขากล่าวว่าเขาหวังว่าการศึกษาเช่นนี้จะช่วยให้เราเข้าใจว่าการเดินสายสมองในช่วงแรกก่อให้เกิดสมองที่ซับซ้อนของเราอย่างไรและจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อการเดินสายนั้นผิดไป
ม็อตรีและทีมของเขากล่าวว่าตอนนี้พวกเขาหวังว่าจะกระตุ้นอวัยวะของสมองต่อไปเพื่อดูว่าพวกเขาสามารถพัฒนาได้เกินเก้าเดือนถึง 10 เดือน นักวิจัยต้องการสร้างแบบจำลองความผิดปกติของสมองเช่นสร้าง organoids สมองด้วยเซลล์ที่นำมาจากเด็กออทิสติกเพื่อทำความเข้าใจว่าเครือข่ายสมองของพวกเขาพัฒนา
การค้นพบนี้ตีพิมพ์ในวันนี้ (29 สิงหาคม) ในวารสาร Cell Stem Cell
