Ο εγκέφαλος μοιάζει με οδικό δίκτυο: Όπως οι επαρχιακοί δρόμοι, οι μικρές συνδέσεις συνδέουν γειτονικά νευρικά κύτταρα, ενώ, όπως οι αυτοκινητόδρομοι, οι παχιές δέσμες νεύρων συνδέουν διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου. Αυτές οι παχιές, πολύ χρησιμοποιούμενες δέσμες νεύρων, οι οποίες για παράδειγμα συνδέουν το αριστερό και το δεξί ημισφαίριο του εγκεφάλου ή το μπροστινό και το πίσω μέρος του εγκεφάλου, δεν έχουν διερευνηθεί πειραματικά μέχρι στιγμής.
Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Jürgen Knoblich στο Ινστιτούτο Μοριακής Βιοτεχνολογίας (IMBA) της Αυστριακής Ακαδημίας Επιστημών, σε συνεργασία με τον Γκρέγκορ Κάσπριαν και τους συνεργάτες του στο Ιατρικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης, κατάφερε τώρα να αναπτύξει ένα οργανοειδές μοντέλο αυτών των δεσμίδων νεύρων. Αναφέρουν τα ευρήματά τους στο περιοδικό Cell Stem Cell.
Για να μοντελοποιήσει τις μακράς εμβέλειας, πολύ χρησιμοποιούμενες δέσμες νεύρων, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε γνώσεις σχετικά με μια σπάνια νευροαναπτυξιακή διαταραχή, στην οποία δεν αναπτύσσεται η σύνδεση μεταξύ του αριστερού και του δεξιού ημισφαιρίου του εγκεφάλου. Το corpus callosum, η γέφυρα μεταξύ αριστεράς και δεξιάς στον εγκέφαλο, είναι ένας ιδιαίτερα χρησιμοποιούμενος αυτοκινητόδρομος πληροφοριών.
Ωστόσο, σε πολύ σπάνιες περιπτώσεις, αυτή η σύνδεση δεν σχηματίζεται κατά την ανάπτυξη. Αυτό μπορεί να ανιχνευθεί πριν από τη γέννηση, ως μέρος του υπερηχογραφικού ελέγχου γύρω στη 18η εβδομάδα εγκυμοσύνης. «Σε τέτοιες περιπτώσεις, η εμβρυϊκή μαγνητική τομογραφία (MRI) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ληφθεί μια ακριβής εικόνα του εμβρυϊκού εγκεφάλου, καθώς και το κάλλος που λείπει και οι σχετικές δομικές ανωμαλίες», λέει ο νευροακτινολόγος Gregor Kasprian.
Σε περίπου 10% των περιπτώσεων, μεταλλάξεις σε ένα γονίδιο που ονομάζεται ARID1B ευθύνονται για αυτό το ελάττωμα. “Κλινικά, έχει περιγραφεί καλά ότι οι μεταλλάξεις στο ARID1B σχετίζονται με την έλλειψη του σκληρού σώματος. Μέχρι τώρα, ωστόσο, τίποτα δεν ήταν γνωστό για τους μοριακούς μηχανισμούς που παίζουν ρόλο σε αυτό το ελάττωμα”, δήλωσε η Catarina Martins-Costa, της μελέτης. ο πρώτος συγγραφέας, εξηγεί.
Χρησιμοποιώντας κύτταρα αίματος από δύο ασθενείς με μεταλλάξεις ARID1B ως υλικό έναρξης, οι ερευνητές παρήγαγαν βλαστοκύτταρα, από τα οποία με τη σειρά τους ανέπτυξαν τρισδιάστατα εγκεφαλικά οργανοειδή. Με μοναδικό τρόπο, αυτά τα εγκεφαλικά οργανοειδή φέρουν επίσης τη μετάλλαξη στο γονίδιο ARID1B. Αυτό έδωσε τη δυνατότητα στους ερευνητές να μελετήσουν πώς αυτή η μετάλλαξη επηρεάζει την ανάπτυξη νευρικών προβολών μεγάλης εμβέλειας – ένα μοντέλο για τις εθνικές οδούς του εγκεφάλου.
«Τα οργανοειδή μας επιτρέπουν να ανιχνεύσουμε όλα τα στάδια στην ανάπτυξη των νευρώνων και να τα διερευνήσουμε απευθείας στους ανθρώπινους ιστούς», εξηγεί ο Jürgen Knoblich. Για να μοντελοποιήσει τη σύνδεση μεταξύ δύο ημισφαιρίων του εγκεφάλου, η ερευνητική ομάδα συνεργάστηκε με τον Yoshiho Ikeuchi στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο.
Τοποθέτησαν δύο εγκεφαλικά οργανοειδή σε ένα τρισδιάστατο εκτυπωμένο καλούπι, στο οποίο τα οργανοειδή συνδέονταν με ένα μικροκανάλι. Οι ερευνητές παρατήρησαν πώς τα δύο οργανοειδή συνδέθηκαν μέσω των νευρωνικών τους προβολών, που ονομάζονται επίσης άξονες. Πράγματι, οι μεταλλάξεις ARID1B επηρέασαν σε μεγάλο βαθμό τη συνδεσιμότητα.
“Τα υγιή οργανοειδή αναπτύσσουν μια οργανωμένη δέσμη άξονα με πολλούς άξονες που συνδέονται με το άλλο οργανοειδές. Τα οργανοειδή που περιέχουν τη μετάλλαξη ARID1B αναπτύσσουν επίσης αυτές τις δέσμες, ωστόσο, ο αριθμός των συνδετικών αξόνων είναι πολύ μικρότερος”, περιέγραψε η Nina Corsini, η συν-αντίστοιχη της μελέτης. συγγραφέας.
Περαιτέρω έρευνα έδειξε ότι η γονιδιακή έκφραση αλλάζει στους μεταλλαγμένους με ARID1B νευρώνες, προσθέτει ο Martins-Costa. «Είδαμε ότι οι ομάδες γονιδίων που ευθύνονται για την ωρίμανση των νευρώνων και τη δημιουργία νευραξόνων ήταν λιγότερο εκφρασμένες, γεγονός που εξηγεί γιατί οι μεταλλαγμένοι καλωδικοί νευρώνες δεν είναι σε θέση να παράγουν άξονες μεγάλης εμβέλειας για το κάλλος του σώματος».
Τα εγκεφαλικά οργανοειδή που περιέχουν μια μετάλλαξη ARID1B είναι επομένως το πρώτο μοντέλο με το οποίο μπορούν να μελετηθούν λεπτομερώς αυτές οι σημαντικές νευρωνικές συνδέσεις του ανθρώπινου εγκεφάλου. Αυτή η εξέλιξη είναι επίσης πολύ σημαντική για την κλινική έρευνα, τονίζει ο Knoblich.