Мозг в пробирке и аутизм

Новое исследование, опубликованное в журнале Translational Psychiatry, показало: миниатюрные модели мозга, выращенные в лаборатории, могут различать электрические паттерны, характерные для разных типов аутизма. Учёные использовали образцы мочи пациентов, превращали выделенные клетки в стволовые и выращивали из них органоиды — крошечные трёхмерные модели человеческого мозга. Эти искусственные структуры сохранили индивидуальную генетику пациентов, что позволило сравнить мозговую активность у людей с разными формами аутизма и у нейротипичных участников.

Аутизм — это состояние нейроразвития, при котором человек испытывает сложности в социальном взаимодействии и демонстрирует повторяющиеся модели поведения. Существуют формы аутизма, обусловленные конкретными генетическими мутациями (их называют синдромальными), однако большая часть случаев остаётся идиопатическими — без известной причины.

Животные модели плохо воспроизводят сложность человеческого мозга, поэтому изучить влияние конкретных генетических мутаций бывает трудно. Пациент-ориентированные органоиды стали новым способом понять, как именно мозг реагирует на такие изменения.

Исследователи собрали мочу у 15 человек: 11 были диагностированы с аутизмом, четверо были нейротипичными. У десяти пациентов с аутизмом были выявлены мутации в генах SHANK3, PPP2R5D, SCN2A, GRIN2B и STXBP1 — каждый из них отвечает за формирование и работу нейронов.

Полученные клетки перепрограммировали в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки и в течение 60 дней вырастили более 400 органоидов. Когда органоиды созрели, их поместили на мультиэлектродные матрицы — микрочипы, способные фиксировать электрическую активность нейронов.

Учёные записали пять минут фоновой активности, затем стимулировали органоиды электрическим импульсом и снова записали активность. В итоге они изучили 18 различных параметров — частоту импульсов, синхронные всплески, силу сигналов и связанность нейронной сети. Для анализа применили метод главных компонент — математический инструмент, который позволяет упростить большие массивы данных и выявить закономерности.

Результаты оказались показательными. Органоиды нейротипичных участников демонстрировали стабильные и схожие паттерны активности. Образцы от пациентов с аутизмом — нет. Причём подтипы отличались друг от друга.

Органоиды пациента с идиопатическим аутизмом проявили сниженный уровень активности — меньше импульсов и всплесков. Большинство образцов от пациентов с генетическими мутациями, наоборот, показали гиперактивность: особенно те, что связаны с STXBP1, PPP2R5D и GRIN2B. SCN2A давал смешанные результаты, но заметно сниженные амплитуды сигналов.

После электрической стимуляции органоиды тоже вели себя по‑разному. У некоторых образцов с мутациями наблюдалось резкое падение связанности сети — исследователи называют это «хрупкостью» нейронной сети. Например, органоиды с STXBP1 буквально «рушились» сразу после стимуляции, а образцы с PPP2R5D сохраняли высокую связанность до сигнала, но быстро теряли её после.

Интересно, что даже пациенты с одинаковыми генетическими мутациями демонстрировали разные электрические профили. В одном случае у пациента с судорогами наблюдались необычные ритмичные всплески, в других — нет.

Авторы работы считают, что такие органоиды могут стать способом тестирования персонализированных лекарств для неврологических и психиатрических заболеваний — от аутизма до эпилепсии и деменции. Однако они предупреждают: органоиды пока далеки от имитации полноценного человеческого мозга. Это упрощённая модель, которая отражает только ранние этапы развития.

Тем не менее исследователи уверены, что технология станет основой как для разработки лекарств, так и для новых интерфейсов «мозг–компьютер», где биологические сети смогут взаимодействовать с вычислительными системами.