Wissenschaftler, die Möglichkeiten zur Behandlung psychiatrischer Erkrankungen erforschen, haben erfolgreich menschliches Gehirngewebe in neugeborene Ratten implantiert, wo es neuronale Verbindungen aufbaute, die das Bewusstsein der Nagetiere für die Außenwelt stimulierten.
Die Experimente an der Stanford University in Kalifornien sind nach mehr als zwei Jahrzehnten Forschung auf der ganzen Welt die bisher erfolgreichsten Versuche, menschliche Neuronen dazu zu bringen, im Gehirn von Tieren zu gedeihen und zu funktionieren.
In einem Test wurden die menschlichen Zellen im Rattengehirn synchron mit Luftstößen, die auf ihre Schnurrhaare geblasen wurden, elektrisch aktiv. In einem anderen Fall wurden blaue Lichtimpulse auf die menschlichen Neuronen im Hybridgehirn gerichtet, um die Ratten darauf zu trainieren, dies mit der Verfügbarkeit von Trinkwasser in Verbindung zu bringen.
Nach zwei Wochen schickte in die menschlichen Neuronen gerichtetes Licht die Nagetiere direkt zum Wasserspeier, was zeigte, dass die implantierten Zellen mit den belohnungssuchenden Schaltkreisen des Rattengehirns in Kontakt traten und ihr Verhalten auf spezifische Weise beeinflussten.
„Unsere Mission ist es, psychiatrische Erkrankungen auf biologischer Ebene zu verstehen, damit wir wirksame Therapien finden können“, sagte Sergiu Paşca, Projektleiter und Stanford-Professor für Psychiatrie und Verhaltenswissenschaften.
Madeline Lancaster, Gruppenleiterin am MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, England, die nicht an der Forschung beteiligt war, nannte es ein „aufregendes“ System zur Modellierung von Hirnerkrankungen und neuraler Entwicklung.
Die Studie wurde am Mittwoch in veröffentlicht Magazin Natur.
Die Arbeit baut auf mehr als einem Jahrzehnt Forschung an Organoiden des menschlichen Gehirns auf, die manchmal als „Mini-Gehirne“ bezeichnet werden, obwohl Neurowissenschaftler den Begriff nicht mögen.
Diese dreidimensionalen zerebralen Strukturen mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern werden aus Hautstammzellen hergestellt, die mit einem biochemischen Cocktail behandelt werden. Das Organoid fügt sich zu einer Struktur zusammen, die viele Merkmale eines echten Gehirns aufweist.
Aber das Fehlen einer Blutversorgung oder eines sensorischen Inputs in einer Laborschale hindert sie daran, sich über einen bestimmten Punkt hinaus zu entwickeln. Dies veranlasste das Stanford-Team, ihre Organoide in neugeborene Ratten von einem Stamm ohne Immunsystem zu implantieren, der es ihnen ermöglichen würde, ohne Abstoßung zu wachsen.
Zellen aus dem Rattenhirn wanderten dann in das menschliche Gewebe ein, bildeten Blutgefäße und lieferten Nährstoffe. Gleichzeitig bildeten die Organoide Verbindungen zu Strukturen im Gehirn des Wirts, einschließlich des Thalamus, der sensorische Informationen an den Kortex weiterleitet.
Die Wissenschaftler beobachteten Veränderungen im Sozialverhalten der Ratten. Vielleicht überraschenderweise gab es keinen beobachtbaren Unterschied zwischen implantierten Tieren und Kontrolltieren.
Obwohl menschliche Neuronen etwa 30 Prozent einer Gehirnhälfte ausfüllten, bewirkten sie weder eine Verbesserung noch eine Verschlechterung des Gedächtnisses und der kognitiven Funktionen der Nagetiere.
Als Test der Fähigkeit der Technologie, die molekularen Auswirkungen von Hirnerkrankungen aufzuzeigen, stellte das Team Organoide von Menschen mit Timothy-Syndrom her, einer seltenen genetischen Erkrankung, die mit Autismus und Epilepsie in Verbindung gebracht wird.
Als ein Timothy-Organoid in eine Seite des Rattenhirns und ein Organoid einer gesunden Person in die andere Hemisphäre implantiert wurde, stellten die Forscher fest, dass ersteres viel kleinere Neuronen mit weniger Verbindungen zu benachbarten Zellen entwickelte.
Pașca sagte, sein Team sei „von Anfang an sehr besorgt über die ethischen Implikationen dieser Arbeit“ gewesen, wobei Bioethiker in Stanford und anderswo zu der Forschung konsultiert worden seien.
Lancaster, die 2011 das weltweit erste Gehirn-Organoid erschuf, betonte, sie habe keine Bedenken, „ob die menschlichen Transplantationen dazu führen würden, dass das Tier menschlicher wird“.
„Die Größe dieser Transplantationen ist klein und ihre Gesamtorganisation fehlt noch“, sagte sie. „Es gibt nur minimale Bedenken hinsichtlich ihres Potenzials für höhere kognitive Funktionen.“