Человеческий мозг развивается слишком медленно для большинства лабораторных экспериментов. Нейронам нужны месяцы и годы, чтобы пройти стадии созревания, которые у лабораторных животных занимают гораздо меньше времени. До сих пор выращенные из человеческих клеток органоиды мозга обычно разрушались раньше, чем исследователи успевали добраться до процессов, характерных для периода после рождения. Новая методика позволила поддерживать такие культуры до пяти лет и наблюдать, как нервные клетки продолжают развиваться почти по тому же внутреннему расписанию, что и в организме человека.
Органоиды не повторяют форму человеческого мозга и не работают как полноценный орган. Исследователи выращивают трёхмерные культуры, в которых появляются характерные для мозга типы клеток, меняется активность генов и постепенно складываются некоторые элементы организации нервной ткани. Такие модели нужны прежде всего там, где эксперименты на животных дают неполную картину, а изучать развитие мозга живого человека на клеточном уровне невозможно.
Особенно сильно нейробиологию ограничивает время. Человеческий мозг созревает около двух десятилетий, а многие психиатрические и нейродегенеративные заболевания проявляются спустя годы после рождения. Генетическое нарушение может присутствовать с самого начала жизни, но изменения в нервной системе долго остаются незаметными. Прежние органоиды в основном позволяли изучать раннее развитие мозга, примерно соответствующее первым месяцам внутриутробного периода. Затем наиболее уязвимые клетки, прежде всего нейроны, начинали деградировать.
Новый способ культивирования продлил период нормального развития нервных клеток с месяцев до нескольких лет. За счёт длительного наблюдения удалось проверить, сохраняют ли нейроны собственную программу созревания вне организма. Клетки продолжили переходить от одной стадии к другой с характерной для человека скоростью, хотя находились в лабораторной среде без кровеносной системы, других органов и многих сигналов, которые присутствуют в живом организме.
Отдельный эксперимент показал, насколько сильно окружение может менять программу уже созревающих клеток. Исследователи поместили в один органоид молодые и более зрелые клетки. Сигналы от молодых клеток заставили старшие изменить дальнейшее развитие: за две недели те начали производить тип нейронов, для появления которого при обычном ходе созревания потребовались бы месяцы.
Результат говорит о том, что некоторые клетки сохраняют больше пластичности, чем предполагалось. Даже после перехода на определённую стадию развития они способны реагировать на сигналы соседних клеток и менять дальнейшую программу. Пока исследователи не знают полного набора веществ, который запускает ускоренное образование нейронов. Если молекулярный механизм удастся разобрать по отдельным сигналам, его можно будет изучать как способ управлять образованием нервных клеток. До медицинского применения далеко: эксперимент пока показывает лишь саму способность клеток менять темп созревания.
Пятилетний срок выращивания особенно важен для болезней, первые признаки которых появляются значительно позже начальных этапов развития мозга. Болезнь Хантингтона служит хорошим примером. Человек рождается с мутацией, вызывающей заболевание, однако характерные двигательные, когнитивные и психические нарушения обычно возникают во взрослом возрасте. Короткоживущие органоиды не позволяли проследить, что происходит с нервными клетками задолго до появления симптомов.
Многолетние культуры дают возможность выращивать клетки с определённой мутацией и следить за ними на протяжении гораздо более длинного участка развития. Исследователи смогут проверить, начинают ли отдельные типы нейронов отклоняться от нормального пути ещё на ранних стадиях и какие клеточные изменения предшествуют заболеванию за годы до его клинических проявлений.
Ещё один важный результат связан с внутренними часами клетки. Нейроны вне организма не начали взрослеть быстрее только потому, что оказались в лаборатории. Скорость созревания сохранила человеческую специфику. Исследователи проверили ход клеточного времени по эпигенетическим изменениям, то есть по химическим меткам на ДНК, которые меняют активность генов, не затрагивая саму последовательность ДНК.
Эпигенетический анализ позволяет оценивать возраст клетки и продолжительность её развития. За пять лет органоиды сохраняли временную программу, характерную для человеческой нервной ткани. Поэтому двухлетняя культура не просто провела два года в питательной среде. По активности генов, составу нейронов и развитию межклеточных связей она проходила стадии, близкие к тем, которые человеческий мозг проходит примерно в соответствующем возрасте.
Скорость созревания особенно важна при сравнении человека с лабораторными животными. Нервная система каждого вида развивается по собственному графику. Даже при сходных клеточных механизмах нужные типы нейронов могут появляться в разное время. Для болезней, связанных с неправильным построением нейронных цепей, сдвиг сроков способен изменить весь результат эксперимента.
Один из примеров связан с эпилепсией . В построении связей между полушариями участвуют каллозальные нейроны, аксоны которых проходят через мозолистое тело и соединяют левую и правую половины мозга. При моделировании некоторых форм эпилепсии недостаточно получить нужный тип нейронов. Клетки должны возникнуть на определённой стадии и вовремя встроиться в нервную сеть. Если органоид производит их раньше или позже, чем человеческий мозг, модель хуже воспроизводит развитие заболевания.
Долгоживущие органоиды позволяют следить за последовательностью построения нейронных цепей: когда появляются разные клетки, как растут их отростки, в какой момент возникают связи и как меняется активность всей сети. Такая временная точность особенно важна для заболеваний, при которых нарушение развивается во время формирования электрических связей мозга.
Для работы учёные исследовали более 424 тысяч клеток из 110 органоидов и проследили эпигенетические изменения на протяжении пяти лет. Собранные данные планируют открыть научному сообществу. Другие группы смогут анализировать изменения активности генов, состав клеток, созревание нейронов и признаки эпигенетического возраста без необходимости сначала выращивать собственные культуры в течение нескольких лет.
Органоиды по-прежнему воспроизводят лишь часть процессов, происходящих в настоящем мозге, но новое время жизни заметно расширяет доступный для экспериментов период. Раньше лабораторные модели в основном заканчивались на стадиях, близких к внутриутробному развитию. Теперь исследователи могут наблюдать человеческие нервные клетки в течение нескольких лет и проверять, когда именно начинают формироваться изменения, связанные с болезнью, как созревают нейронные сети и какие сигналы способны менять программу развития уже сформировавшихся клеток.