Yuav ua li cas cov kws tshawb fawb kawm txog tib neeg lub hlwb hauv kev cais tawm ntawm lub cev

2024 Tus sau: Malcolm Clapton | [email protected]. Kawg hloov kho: 2023-12-17 03:58

Yuav ua li cas cov kws tshawb fawb tsim cov qauv ntawm tib neeg lub hlwb thiab cov teeb meem kev coj ncaj ncees li kev tshawb fawb li cas.

Phau ntawv Journal Nature tau luam tawm Kev coj ncaj ncees ntawm kev sim nrog tib neeg lub hlwb, ib tsab ntawv sau los ntawm 17 tus kws tshaj lij neuroscientists hauv ntiaj teb, uas cov kws tshawb fawb tau sib tham txog kev nce qib hauv kev txhim kho tib neeg lub hlwb qauv. Cov kev ntshai ntawm cov kws tshaj lij yog raws li hauv qab no: tej zaum nyob rau hauv lub neej yav tom ntej cov qauv yuav ua kom siab heev uas lawv yuav pib tsim tsis tau tsuas yog cov qauv, tab sis kuj lub zog ntawm tib neeg lub hlwb.

Puas muaj peev xwm tsim "hauv ib lub raj sim" ib qho ntawm cov hlab ntsha uas muaj kev nco qab? Cov kws tshawb fawb paub cov qauv ntawm lub hlwb ntawm cov tsiaj nyob rau hauv qhov kev nthuav dav me tshaj plaws, tab sis tseem tsis tau paub tias cov qauv "encode" kev nco qab thiab yuav ua li cas ntsuas nws lub xub ntiag, yog tias peb tab tom tham txog lub hlwb cais lossis nws qhov zoo sib xws.

Lub hlwb nyob rau hauv lub thoob dej yug ntses

"Xav txog kev sawv hauv qhov chaw uas muaj kev puas tsuaj rau lub cev - tsis muaj lub teeb, tsis muaj suab, tsis muaj kev xav sab nraud nyob ib puag ncig. Tsuas yog koj txoj kev nco qab, dai rau hauv qhov khoob."

Qhov ntawd yog daim duab ntawm cov neeg saib xyuas kev ncaj ncees tau tawm tswv yim los ntawm Yale University neuroscientist Nenad Sestan tias nws pab neeg muaj peev xwm ua kom lub paj hlwb nyob ib leeg rau 36 teev.

Cov kws tshawb fawb tau ua kom lub hlwb npuaj sia nyob sab nraum lub cev daim ntawv tshaj tawm ntawm qhov kev sim ua tiav tau ua nyob rau ntawm lub rooj sib tham ntawm Pawg Neeg Saib Xyuas Kev Ncaj Ncees ntawm US National Institutes of Health thaum lub Peb Hlis Ntuj xyoo no. Siv lub twj tso kua mis uas muaj cua sov hu ua BrainEx thiab cov khoom siv hluav taws xob hloov pauv, cov kws tshawb fawb tau tswj xyuas cov kua dej thiab cov pa oxygen rau lub paj hlwb ntawm ntau pua tus tsiaj tua hauv tsev tua tsiaj ob peb teev ua ntej qhov kev sim, nws hais.

Cov kabmob tseem muaj sia nyob, txiav txim siab los ntawm kev pheej hmoo ntawm kev ua haujlwm ntawm ntau lab tus neeg neurons. Txawm li cas los xij, cov kws tshawb fawb tsis tuaj yeem hais tias seb lub paj hlwb puas tso rau hauv "Aquarium" khaws cov cim ntawm kev nco qab. Qhov tsis muaj hluav taws xob ua haujlwm, sim ua tus qauv siv lub tshuab electroencephalogram, ntseeg Sestan tias "lub hlwb no tsis txhawj xeeb txog dab tsi." Nws muaj peev xwm hais tias lub hlwb cais ntawm tus tsiaj yog nyob rau hauv ib tug coma, uas, tshwj xeeb tshaj yog, yuav tau yooj yim los ntawm lub Cheebtsam ntawm cov tshuaj ntxuav nws.

Cov kws sau ntawv tsis nthuav tawm cov ntsiab lus ntawm qhov kev sim - lawv tab tom npaj ib qho kev tshaj tawm hauv phau ntawv xov xwm tshawb fawb. Txawm li cas los xij, txawm tias Sestan tsab ntawv ceeb toom, cov ntsiab lus tsis zoo, ua rau muaj kev txaus siab thiab ntau qhov kev xav txog kev txhim kho ntxiv ntawm cov thev naus laus zis. Nws zoo nkaus li tias kev khaws cia lub hlwb tsis yog qhov nyuaj tshaj li kev khaws cia lwm yam kabmob rau kev hloov pauv, xws li lub plawv lossis lub raum.

Qhov no txhais tau hais tias theoretically nws muaj peev xwm khaws tib neeg lub hlwb nyob rau hauv ib tug ntau dua los yog tsawg lub xeev.

Cov hlwb raug rho tawm tuaj yeem yog tus qauv zoo, piv txwv li, rau kev tshawb fawb tshuaj: tom qab tag nrho, cov kev txwv uas twb muaj lawm siv tau rau cov neeg nyob, thiab tsis yog rau tib neeg lub cev. Txawm li cas los xij, los ntawm qhov kev xav ntawm kev coj ncaj ncees, ntau cov lus nug tshwm sim ntawm no. Txawm hais tias cov lus nug ntawm kev tuag ntawm lub hlwb tseem yog "qhov grey" rau cov kws tshawb fawb - txawm tias muaj cov txheej txheem kho mob raug cai, muaj ntau cov xwm txheej zoo sib xws, los ntawm qhov kev rov qab mus rau lub neej li qub tseem ua tau. Peb tuaj yeem hais li cas txog qhov xwm txheej thaum peb lees tias lub hlwb tseem muaj sia nyob. Yuav ua li cas yog tias lub hlwb, cais tawm ntawm lub cev, tseem khaws qee yam lossis tag nrho ntawm tus cwj pwm? Tom qab ntawd nws yog qhov ua tau kom xav txog qhov xwm txheej tau piav qhia thaum pib ntawm tsab xov xwm.

Qhov twg tsis nco qab lurks

Txawm tias muaj tseeb hais tias mus txog rau lub 80s ntawm lub xyoo pua 20th, muaj cov neeg txhawb nqa ntawm txoj kev xav ntawm dualism, uas cais tus ntsuj plig ntawm lub cev, ntawm cov kws tshawb fawb, nyob rau hauv peb lub sij hawm txawm philosophers kawm lub psyche pom zoo tias txhua yam uas peb hu ua kev nco qab yog generated. los ntawm cov khoom siv hlwb (keeb kwm Cov lus nug tuaj yeem nyeem kom ntxaws ntxiv, piv txwv li, hauv tshooj no Qhov Kev Nco Txog Qhov Twg: Keeb Kwm ntawm Qhov Teeb Meem thiab Kev Pom Zoo ntawm Kev Tshawb Fawb los ntawm phau ntawv Nobel laureate Eric Kandel "Nrhiav Kev Nco").

Dab tsi ntxiv, nrog cov txheej txheem niaj hnub xws li kev ua haujlwm sib nqus resonance imaging, cov kws tshawb fawb tuaj yeem taug qab cov cheeb tsam ntawm lub hlwb tau qhib thaum lub sijhawm tshwj xeeb ntawm kev xav. Txawm li cas los xij, lub tswv yim ntawm kev nco qab tag nrho yog ephemeral dhau lawm, thiab cov kws tshawb fawb tseem tsis pom zoo txog seb nws puas yog encoded los ntawm cov txheej txheem tshwm sim hauv lub hlwb, lossis seb qee qhov neural correlates yog lub luag haujlwm rau nws.

Raws li Kandel hais nyob rau hauv nws phau ntawv, nyob rau hauv cov neeg mob uas phais cais cerebral hemispheres, nco ntsoov muab faib ua ob, txhua tus perceives ib tug ywj siab daim duab ntawm lub ntiaj teb no.

Cov xwm txheej no thiab zoo sib xws los ntawm kev xyaum ua haujlwm neurosurgical tsawg kawg yog tias rau lub neej ntawm kev nco qab, kev ncaj ncees ntawm lub hlwb tsis tas yuav tsum muaj cov qauv symmetrical. Qee cov kws tshawb fawb, suav nrog tus neeg nrhiav pom cov qauv ntawm DNA Francis Crick, uas thaum kawg ntawm nws lub neej tau los ua kev xav hauv neuroscience, ntseeg hais tias lub xub ntiag ntawm kev nco qab yog txiav txim los ntawm cov qauv tshwj xeeb hauv lub hlwb.

Tej zaum cov no yog tej yam neural circuits, los yog tej zaum lub ntsiab lus yog nyob rau hauv lub auxiliary hlwb ntawm lub hlwb - astrocytes, uas nyob rau hauv tib neeg, nyob rau hauv kev sib piv nrog rau lwm yam tsiaj, yog heev tshwj xeeb. Ib txoj kev lossis lwm qhov, cov kws tshawb fawb twb tau mus txog qhov ua qauv ntawm tib neeg cov qauv ntawm tib neeg lub hlwb hauv vitro ("hauv vitro") lossis txawm nyob hauv vivo (raws li ib feem ntawm lub hlwb ntawm cov tsiaj).

Sawv hauv bioreactor

Nws tsis paub yuav ua li cas sai sai no nws yuav tuaj rau kev sim ntawm tag nrho lub hlwb rho tawm los ntawm tib neeg lub cev - ua ntej, neuroscientists thiab ethicists yuav tsum pom zoo rau cov kev cai ntawm qhov kev ua si. Txawm li cas los xij, hauv chav kuaj hauv Petri cov tais diav thiab bioreactors, qhov nce ntawm peb-dimensional tib neeg lub hlwb kab lis kev cai twb loj hlob "mini-brains" uas ua raws li cov qauv ntawm "loj" tib neeg lub hlwb los yog nws qhov tshwj xeeb.

Nyob rau hauv tus txheej txheem ntawm txoj kev loj hlob ntawm lub embryo, nws lub cev yog tsim mus rau tej theem raws li ib co kev pab cuam uas muaj nyob rau hauv cov noob raws li lub hauv paus ntsiab lus ntawm nws tus kheej lub koom haum. Lub paj hlwb tsis muaj kev zam. Cov kws tshawb fawb pom tias yog tias sib txawv rau hauv cov hlwb ntawm cov paj hlwb raug ntxias hauv cov kab lis kev cai qia cell nrog kev pab ntawm qee yam tshuaj, qhov no ua rau muaj kev hloov pauv hauv cov kab lis kev cai ntawm tes, zoo ib yam li cov uas tshwm sim thaum lub sij hawm morphogenesis ntawm embryonic neural raj.

Stem cells induced nyob rau hauv txoj kev no "los ntawm lub neej ntawd" sib txawv thaum kawg rau hauv cov neurons ntawm lub paj hlwb cortex, txawm li cas los xij, los ntawm kev ntxiv cov cim qhia ntawm sab nraud rau Petri tais, piv txwv li, cov hlwb ntawm midbrain, striatum lossis qaum qaum tuaj yeem tau txais. Nws muab tawm hais tias ib tug intrinsic mechanism ntawm corticogenesis los ntawm embryonic qia hlwb yuav loj hlob nyob rau hauv ib lub tais, ib tug tiag tiag cortex, ib yam li nyob rau hauv lub hlwb, muaj ob peb txheej ntawm neurons thiab muaj auxiliary astrocytes.

Nws yog qhov tseeb tias cov kab lis kev cai ob sab sawv cev rau tus qauv yooj yim heev. Txoj cai tswj tus kheej ntawm cov paj hlwb tau pab cov kws tshawb fawb sai sai mus rau cov qauv peb sab hu ua spheroids thiab cerebral organelles. Cov txheej txheem ntawm lub koom haum cov ntaub so ntswg tuaj yeem cuam tshuam los ntawm kev hloov pauv hauv cov xwm txheej thaum ntxov, xws li kev coj noj coj ua ntawm cov kab lis kev cai thiab cov cell heterogeneity, thiab los ntawm exogenous yam. Los ntawm kev hloov pauv cov haujlwm ntawm qee qhov kev taw qhia cascades, nws tseem tuaj yeem ua tiav qhov tsim ntawm cov txheej txheem siab heev hauv organoid, xws li lub khob optic nrog lub retinal epithelium, uas reacts Cell ntau haiv neeg thiab network dynamics nyob rau hauv photosensitive tib neeg lub hlwb organoids rau lub teeb.

Kev siv cov hlab ntsha tshwj xeeb thiab kev kho mob nrog rau kev loj hlob tau tso cai rau cov kws tshawb fawb kom muaj lub hom phiaj kom tau txais Modeling tib neeg cortical txoj kev loj hlob hauv vitro siv induced pluripotent qia hlwb - tib neeg cerebral organoid sib xws rau forebrain (hemispheres) nrog lub cortex, kev loj hlob ntawm uas, txiav txim los ntawm kev qhia ntawm cov noob thiab cov cim, sib raug rau thawj peb lub hlis twg ntawm kev loj hlob fetal …

Thiab cov kws tshawb fawb los ntawm Stanford, coj los ntawm Sergiu Pasca, tau tsim Kev Ua Haujlwm cortical neurons thiab astrocytes los ntawm tib neeg pluripotent qia hlwb hauv 3D kab lis kev cai, ib txoj hauv kev loj hlob clumps uas ua raws li txoj cai ntawm lub forebrain hauv Petri tais. Qhov loj ntawm xws li "hlwb" yog hais txog 4 millimeters, tab sis tom qab 9-10 lub hlis ntawm maturation, cortical neurons thiab astrocytes nyob rau hauv cov qauv no sib haum mus rau lub postnatal theem ntawm kev loj hlob, uas yog, theem ntawm kev loj hlob ntawm tus me nyuam tam sim ntawd tom qab yug me nyuam.

Qhov tseem ceeb, cov qia hlwb rau kev loj hlob zoo li no tuaj yeem raug coj los ntawm cov neeg tshwj xeeb, piv txwv li, los ntawm cov neeg mob uas tau txiav txim siab txog kab mob ntawm lub paj hlwb. Thiab qhov kev nce qib hauv kev tsim noob caj noob ces qhia tias cov kws tshawb fawb yuav sai sai no tuaj yeem soj ntsuam hauv vitro kev loj hlob ntawm lub hlwb ntawm Neanderthal lossis Denisovan.

Nyob rau hauv 2013, cov kws tshawb fawb los ntawm lub koom haum rau Molecular Biotechnology ntawm Austrian Academy ntawm Sciences tau luam tawm ib tsab xov xwm Cerebral organoids qauv tib neeg lub hlwb kev loj hlob thiab microcephaly, piav qhia txog kev cog qoob loo ntawm "lub hlwb me me" los ntawm ob hom qia hlwb nyob rau hauv bioreactor, uas ua raws li cov kev loj hlob ntawm lub hlwb. qauv ntawm tib neeg lub hlwb.

Cov cheeb tsam sib txawv ntawm cov organoid sib haum mus rau ntau qhov chaw ntawm lub hlwb: posterior, nruab nrab thiab anterior, thiab "forebrain" txawm pom qhov sib txawv ntxiv rau hauv lobes ("hemispheres"). Qhov tseem ceeb, hauv lub hlwb me me no, uas tseem tsis tau tshaj li ob peb millimeters loj, cov kws tshawb fawb tau pom cov cim ntawm kev ua haujlwm, tshwj xeeb yog kev hloov pauv ntawm cov calcium hauv cov neurons, uas yog qhov qhia txog lawv qhov kev zoo siab (koj tuaj yeem nyeem kom meej. txog qhov kev sim no ntawm no).

Lub hom phiaj ntawm cov kws tshawb fawb tsis yog tsuas yog tsim cov evolution ntawm lub hlwb hauv vitro xwb, tab sis kuj yuav kawm txog cov txheej txheem molecular uas ua rau microcephaly - qhov kev loj hlob txawv txav uas tshwm sim, tshwj xeeb tshaj yog thaum lub embryo kis tus kab mob Zika. Rau qhov no, cov neeg sau ntawv ntawm kev ua haujlwm tau loj hlob tib lub hlwb los ntawm cov hlwb ntawm tus neeg mob.

Txawm tias muaj txiaj ntsig zoo, cov kws tshawb fawb tau ntseeg tias cov organelles tsis muaj peev xwm paub txog dab tsi. Ua ntej, lub hlwb tiag tiag muaj txog 80 billion neurons, thiab cov organoid loj hlob muaj ntau qhov kev txiav txim siab tsawg dua. Yog li, lub hlwb mini tsuas yog tsis muaj lub cev muaj peev xwm ua tiav cov haujlwm ntawm lub hlwb tiag tiag.

Qhov thib ob, vim qhov peculiarities ntawm txoj kev loj hlob "hauv vitro", qee qhov ntawm nws cov qauv tau nyob hauv qhov tsis sib haum xeeb thiab tsim tsis raug, tsis yog kev sib txuas ntawm lub cev. Yog hais tias lub hlwb mini xav txog ib yam dab tsi, nws yog ib yam dab tsi txawv txawv rau peb.

Yuav kom daws tau qhov teeb meem ntawm kev sib cuam tshuam ntawm cov tuam tsev, cov kws tshawb fawb neuroscientists tau npaj ua qauv rau lub hlwb ntawm qib tshiab, uas yog hu ua "assembloids". Rau lawv cov tsim, organelles yog thawj zaug zus nyias, sib haum mus rau ib qho chaw ntawm lub hlwb, thiab tom qab ntawd lawv tau muab sib xyaw.

Qhov kev tshawb fawb no tau siv los ua ke ntawm kev ua haujlwm sib koom ua ke ntawm tib neeg forebrain spheroids los kawm txog li cas lub npe hu ua interneurons, uas tshwm sim tom qab tsim ntau ntawm cov neurons los ntawm kev tsiv teb tsaws los ntawm lub forebrain uas nyob ib sab, tau muab tso rau hauv lub cortex. Assembloids tau txais los ntawm ob hom paj hlwb tau ua rau nws muaj peev xwm kawm txog kev cuam tshuam hauv kev tsiv teb tsaws ntawm interneurons hauv cov neeg mob qaug dab peg thiab autism.

Sawv hauv lwm tus lub cev

Txawm tias tag nrho cov kev txhim kho, lub hlwb-hauv-ib-tube muaj peev xwm raug txwv nruj heev los ntawm peb qhov tseem ceeb. Ua ntej, lawv tsis muaj lub vascular system uas tso cai rau lawv xa cov pa oxygen thiab cov as-ham rau lawv cov qauv sab hauv. Vim li no, qhov loj me ntawm lub hlwb yog txwv los ntawm lub peev xwm ntawm cov molecules kom diffuse los ntawm cov ntaub so ntswg. Qhov thib ob, lawv tsis muaj lub cev tiv thaiv kab mob, sawv cev los ntawm cov kab mob microglial: feem ntau cov hlwb no tsiv mus rau hauv nruab nrab lub paj hlwb los ntawm sab nraud. Thib peb, cov qauv loj hlob hauv kev daws teeb meem tsis muaj qhov tshwj xeeb microenvironment muab los ntawm lub cev, uas txwv cov naj npawb ntawm cov cim qhia txog cov molecules uas ncav cuag nws. Qhov kev daws teeb meem rau cov teeb meem no tuaj yeem yog kev tsim cov qauv tsiaj nrog lub hlwb chimeric.

Kev ua haujlwm tsis ntev los no Ib qho qauv hauv vivo ntawm kev ua haujlwm thiab vascularized tib neeg lub hlwb organoids los ntawm Asmeskas cov kws tshawb fawb los ntawm Salk lub koom haum raws li kev coj ntawm Fred Gage piav qhia txog kev koom ua ke ntawm tib neeg cerebral organelle (uas yog, lub hlwb mini) rau hauv lub hlwb ntawm tus nas.. Txhawm rau ua qhov no, cov kws tshawb fawb thawj zaug tso cov noob rau cov protein fluorescent ntsuab rau hauv DNA ntawm cov qia hlwb kom txoj hmoo ntawm kev tsim cov paj hlwb tuaj yeem raug soj ntsuam siv microscopy. Organoids tau loj hlob los ntawm cov hlwb no rau 40 hnub, uas tau muab cog rau hauv kab noj hniav hauv retrosplenal cortex ntawm tus nas tiv thaiv kab mob. Peb lub hlis tom qab, hauv 80 feem pua ntawm cov tsiaj, cov nroj tsuag cog tau hauv paus.

Lub hlwb chimeric ntawm nas tau txheeb xyuas rau yim lub hlis. Nws muab tawm tias cov organoid, uas tuaj yeem paub qhov txawv yooj yim los ntawm luminescence ntawm cov protein fluorescent, ua tiav kev sib koom ua ke, tsim ib lub vascular network, loj hlob axons thiab tsim synapses nrog cov hlab ntsha ntawm lub paj hlwb. Tsis tas li ntawd, microglia hlwb tau txav los ntawm tus tswv tsev mus rau qhov cog. Thaum kawg, cov kws tshawb fawb tau lees paub qhov kev ua haujlwm ntawm cov neurons - lawv tau pom cov kev ua haujlwm hluav taws xob thiab kev hloov pauv hauv calcium. Yog li, tib neeg "mini-brain" nkag mus rau hauv cov ntsiab lus ntawm nas hlwb.

Kuj ceeb tias, kev sib koom ua ke ntawm ib daim ntawm tib neeg lub paj hlwb tsis cuam tshuam rau tus cwj pwm ntawm cov nas uas sim. Hauv kev sim rau kev kawm spatial, nas nrog chimeric hlwb ua tau zoo ib yam li cov nas ib txwm muaj, thiab txawm tias muaj kev nco tsis zoo - cov kws tshawb fawb tau piav qhia qhov no los ntawm qhov tseeb tias rau kev cog qoob loo lawv tau ua ib lub qhov ntawm lub paj hlwb.

Txawm li cas los xij, lub hom phiaj ntawm txoj haujlwm no tsis yog kom tau txais cov nas txawj ntse nrog tib neeg kev nco qab, tab sis tsim kom muaj tus qauv hauv vivo ntawm tib neeg lub paj hlwb nruab nrog lub vascular network thiab microenvironment rau ntau lub hom phiaj biomedical.

Kev sim ntawm ib hom sib txawv kiag li tau ua los ntawm Forebrain engraftment los ntawm tib neeg glial progenitor hlwb txhim kho synaptic plasticity thiab kev kawm hauv cov nas laus los ntawm cov kws tshawb fawb ntawm Center for Translational Neuromedicine ntawm University of Rochester hauv 2013. Raws li tau hais ua ntej, tib neeg cov khoom siv hlwb hlwb (astrocytes) txawv ntawm lwm cov tsiaj, tshwj xeeb yog nas. Vim li no, cov kws tshawb fawb qhia tias astrocytes ua lub luag haujlwm tseem ceeb hauv kev txhim kho thiab kev saib xyuas ntawm tib neeg lub hlwb ua haujlwm. Txhawm rau kuaj seb lub paj hlwb chimeric nas yuav txhim kho li cas nrog tib neeg astrocytes, cov kws tshawb fawb tau cog cov neeg pab cell precursors hauv lub hlwb ntawm nas embryos.

Nws muab tawm tias nyob rau hauv lub hlwb chimeric, tib neeg astrocytes ua hauj lwm peb zaug sai dua nas. Ntxiv mus, nas nrog chimeric lub hlwb tau ua kom ntse dua li niaj zaus hauv ntau txoj hauv kev. Lawv tau nrawm dua los xav, kawm zoo dua, thiab taug kev mus rau qhov tshawb nrhiav. Tej zaum, chimeric nas tsis xav zoo li tib neeg, tab sis, tej zaum, lawv tuaj yeem hnov lawv nyob rau theem sib txawv ntawm evolution.

Txawm li cas los xij, nas nyob deb ntawm cov qauv zoo tagnrho rau kev kawm txog tib neeg lub hlwb. Qhov tseeb yog tias tib neeg cov ntaub so ntswg loj hlob raws li qee lub sijhawm molecular moos, thiab nws txoj kev hloov mus rau lwm lub cev tsis ua kom cov txheej txheem no. Xav tias cov nas nyob tsuas yog ob xyoos xwb, thiab tag nrho cov tsim ntawm tib neeg lub hlwb yuav siv sij hawm ob peb lub xyoo caum, cov txheej txheem mus sij hawm ntev hauv hom chimeric hlwb tsis tuaj yeem kawm. Tej zaum lub neej yav tom ntej ntawm neuroscience tseem yog tib neeg lub hlwb hauv cov thoob dej yug ntses - kom paub seb nws zoo li cas, cov kws tshawb fawb tsuas yog xav kawm nyeem lub siab, thiab cov cuab yeej siv niaj hnub zoo li yuav ua tau sai sai no.