Εξομοιωτή ανάπτυξης του εγκεφάλου δημιούργησαν ερευνητές

Επιστήμονες ανέπτυξαν μια καινοτόμα πλατφόρμα βασισμένη σε ανθρώπινους νευρώνες που καλλιεργήθηκαν στο εργαστήριο. Η πλατφόρμα αυτή αναπαράγει τους πολύπλοκους ηλεκτρικούς ρυθμούς που εμφανίζονται σε αναπτυσσόμενους εγκεφάλους, προσφέροντας ένα νέο εργαλείο για τη δοκιμή φαρμάκων που στοχεύουν σε αναπτυξιακές νευρολογικές διαταραχές όπως η επιληψία και ο αυτισμός.

Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Neurobiology of Disease και πραγματοποιήθηκε από επιστημονική ομάδα του Sanford Burnham Prebys, του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο και της φαρμακευτικής εταιρείας BioMarin. Η μελέτη αποδεικνύει ότι δίκτυα νευρώνων προερχόμενα από ανθρώπινα πολυδυναμα βλαστοκύτταρα μπορούν να παράγουν εμφωλευμένες ταλαντώσεις — μοτίβα ηλεκτρικής δραστηριότητας σε πολλαπλές ζώνες συχνοτήτων όπως οι delta, theta και alpha — που αντικατοπτρίζουν τη δραστηριότητα αναπτυσσόμενων ανθρώπινων εγκεφάλων.

Κεντρικό στοιχείο των ευρημάτων αποτελεί ο ρόλος της ανασταλτικής σηματοδότησης του GABA στην εμφάνιση αυτών των συντονισμένων ηλεκτρικών μοτίβων. Το GABA, ή γ-αμινοβουτυρικό οξύ, είναι ο κύριος ανασταλτικός νευροδιαβιβαστής του εγκεφάλου στους ενήλικες, αλλά κατά την ανάπτυξη μπορεί να λειτουργεί διεγερτικά, συμβάλλοντας στη διαμόρφωση των νευρικών κυκλωμάτων που υποστηρίζουν τη νόηση και τη συμπεριφορά.

Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι τα δισδιάστατα νευρωνικά δίκτυα παρουσιάζουν αυθόρμητα περιοδικά ταλαντωτικά φαινόμενα, εξαρτώμενα τόσο από τη γλουταματεργική όσο και από τη GABAεργική σηματοδότηση. Η σύζευξη διαφορετικών συχνοτήτων, όπου η φάση των πιο αργών ταλαντώσεων ρυθμίζει το εύρος των ταχύτερων, θεωρείται ότι συντονίζει την υπολογιστική λειτουργία και την επικοινωνία των νευρώνων στον εγκέφαλο.

Σε αντίθεση με τα τρισδιάστατα εγκεφαλικά οργανοειδή, που έχουν γίνει δημοφιλή μοντέλα μελέτης της εγκεφαλικής ανάπτυξης, η δισδιάστατη πλατφόρμα προσφέρει πρακτικά πλεονεκτήματα για την ανακάλυψη φαρμάκων. Η απλοποιημένη της μορφή επιτρέπει διαλογή υψηλής απόδοσης, κάτι που είναι δύσκολο να επιτευχθεί με πιο σύνθετα συστήματα.

Η εργασία εντάσσεται στις προσπάθειες του Sanford Burnham Prebys για ανάπτυξη μοντέλων ασθενειών βασισμένων σε ανθρώπινα κύτταρα, κατάλληλων για διαλογή φαρμάκων. Η Anne Bang, διευθύντρια κυτταρικής βιολογίας στο Conrad Prebys Center for Chemical Genomics του ιδρύματος, έχει ηγηθεί ερευνών που στοχεύουν στη δημιουργία δοκιμασιών υψηλής απόδοσης για νευρολογικές παθήσεις, χρησιμοποιώντας νευρώνες από επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα.

Η νέα πλατφόρμα μπορεί να επιταχύνει την έρευνα σε περιπτώσεις όπου οι εγκεφαλικοί ρυθμοί διαταράσσονται. Οι αλλαγές στην ταλαντωτική δραστηριότητα έχουν συνδεθεί με επιληψία, διαταραχές αυτιστικού φάσματος και άλλες νευροαναπτυξιακές καταστάσεις. Μοντέλα που χρησιμοποιούν ανθρώπινους νευρώνες από iPSC έχουν δείξει ευαισθησία στον φαρμακολογικό χειρισμό τόσο της διεγερτικής όσο και της ανασταλτικής μετάδοσης, προσφέροντας πολύτιμο εργαλείο για τον έλεγχο φαρμάκων.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, τα νευρωνικά δίκτυα ανθρώπινης προέλευσης από iPSC αποτελούν σημαντικό βήμα προόδου στην ανάπτυξη φαρμάκων βασισμένων σε ανθρώπινα μοντέλα. Η επεκτασιμότητα και η αναπαραγωγιμότητα της πλατφόρμας αντιμετωπίζουν χρόνιες προκλήσεις στη μετάφραση ευρημάτων από ζωικά μοντέλα σε ανθρώπινες θεραπείες — ένα κρίσιμο κενό, καθώς πολλά φάρμακα που αποδίδουν σε πειραματόζωα αποτυγχάνουν στους ανθρώπους.