Ποντίκια με... μισοανθρώπινο εγκέφαλο. The smart mouse with the half-human brain

Τα ανθρώπινα αστροκύτταρα (φωτογραφία) έχουν 100 φορές περισσότερες έλικες από τα αντίστοιχα κύτταρα των ποντικιών, κάτι που επιτρέπει την καλύτερη επικοινωνία των νευρώνων του εγκεφάλου. Mice injected with human brain cells grow to have 'half human brains' that make them smarter than other rodents, scientists have found. Human astrocytes (or glial cells, pictured) have around 100 times as many tendrils as mouse astrocytes, which are thought to improve the efficiency of communication. Credit: Steve Goldman/University of Rochester

Ποντίκια στα οποία εγχύθηκαν ανθρώπινα εγκεφαλικά κύτταρα απέκτησαν εγκέφαλο «μισο-ανθρώπινο» με αποτέλεσμα να γίνουν εξυπνότερα σε σύγκριση με τα υπόλοιπα.

Πιο εξανθρωπισμένα ποντίκια

Τους εγχύθηκαν ανθρώπινα κύτταρα και εκείνα έγιναν πιο έξυπνα και με καλύτερη μνήμη. While the mice still had their own neurons - the cells that transmit and store information in the brain - the support cells were almost entirely human, according to the researchers.

Ερευνητές του Ιατρικού Κέντρου του Πανεπιστημίου του Ρότσεστερ στη Νέα Υόρκη ανέφεραν με δημοσίευσή τους στην επιθεώρηση «Journal of Neuroscience» ότι η χορήγηση σε μικρά ποντικάκια ενός τύπου ανώριμων ανθρώπινων κυττάρων του εγκεφάλου τα οποία είναι γνωστά ως γλοιακά κύτταρα προκάλεσε διαφορετική ανάπτυξη του εγκεφάλου σε σύγκριση με τη φυσιολογική… ποντικίσια ανάπτυξη. Έτσι τα ποντίκια της μελέτης έγιναν πιο… εξανθρωπισμένα.

Some glial cells also perform repairs in the brain, helping to maintain the myelin sheaths that surround neuron.

Τα ανθρώπινα γλοιακά κύτταρα τα οποία είναι υποστηρικτικά κύτταρα του εγκεφάλου – του παρέχουν τις κατάλληλες δομές αλλά και θρεπτικά στοιχεία -  πολλαπλασιάστηκαν και αντικατέστησαν έναν παρόμοιο τύπο κυττάρων στον εγκέφαλο των πειραματοζώων.

Παρότι τα ποντίκια είχαν τους δικούς τους νευρώνες – τα κύτταρα που μεταδίδουν και αποθηκεύουν πληροφορίες στον εγκέφαλο – τα υποστηρικτικά κύτταρα ήταν σχεδόν πλήρως ανθρώπινα, σύμφωνα με τους ερευνητές.

Καλύτερη μνήμη των υβριδίων

In their most recent study Dr Goldman and his colleagues injected human cells into the brains of mice who were missing the myelin sheaths that insulate their neurons. Pictured are nerve connections in a mouse brain.

Πειράματα έδειξαν ότι τα «μισο-ανθρώπινα» ποντίκια είχαν καλύτερη μνήμη από εκείνα που δεν ήταν υβριδικά. Οι ερευνητές εκτιμούν ότι τα ανθρώπινα κύτταρα βελτίωσαν την αποδοτικότητα των εγκεφάλων των ποντικών.

Τα νέα ευρήματα μαρτυρούν ότι είναι πιθανό να κάνουμε τα ζώα εξυπνότερα εγχέοντάς τους ανθρώπινα κύτταρα του εγκεφάλου. Παρότι μια τέτοια προοπτική δημιουργεί φόβους σχετικά με το ότι θα είναι δυνατή η δημιουργία ανώτερων σε ευφυία όντων, όπως αυτά που βλέπουμε στις ταινίες επιστημονικής φαντασίας, οι επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ τονίζουν ότι δεν υπάρχει τέτοια ανησυχία αφού η επίδραση των ανθρώπινων κυττάρων στη λειτουργία του εγκεφάλου των ζώων θα είναι περιορισμένη.

Όπως συμπληρώνουν, καταλαβαίνουν τα ηθικά ζητήματα σχετικά με το πού θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μια τέτοια μελέτη επάνω στον «υβριδικό» εγκέφαλο. Για τον λόγο αυτόν, σύμφωνα με τον επικεφαλής της μελέτης δρα Στίβεν Γκόλντμαν, η ερευνητική ομάδα αποφάσισε να μην εισαγάγει ανθρώπινα κύτταρα σε ανώτερα θηλαστικά, όπως οι πίθηκοι. «Παρότι τα ανθρώπινα κύτταρα παίζουν καθοριστικό ρόλο στο να κάνουν εξυπνότερα τα ποντίκια, υπάρχουν όρια στο πού μπορεί να φθάσει η επίδρασή τους αφού τα νευρικά δίκτυα συνεχίζουν να ανήκουν στα ποντίκια. Έτσι, δεν δημιουργούμε έναν ανθρώπινο εγκέφαλο στα ποντίκια, αλλά βελτιώνουμε την αποδοτικότητα του ήδη υπάρχοντος νευρικού δικτύου του ποντικού. Τα ζώα δεν αποκτούν ικανότητες που θα θεωρούνταν ανθρώπινες. Θα μπορούσαμε να δοκιμάσουμε την τεχνική σε πιθήκους αλλά δεν είναι ο στόχος μας να κάνουμε εξυπνότερα τα ζώα».

Στόχος η μελέτη και θεραπεία νευρολογικών διαταραχών

Toμή του εγκεφάλου σε ένα από τα ποντίκια που έλαβαν τα ανθρώπινα πρόδρομα γλοικά κύτταρα. Τα ανθρώπινα κύτταρα απεικονίζονται με πράσινο χρώμα. Human glial progenitor cells grew to replace the mouse's own glial progenitor cells, spreading through the brain. The brain section from a mouse that received the implant shows the human glial cells in green. Credit: Steve Goldman/University of Rochester

Ποιος ήταν λοιπόν ο στόχος των επιστημόνων; Όπως εξήγησε ο δρ Γκόλντμαν τα ποντίκια με τους υβριδικούς εγκεφάλους μπορούν να αποδειχθούν πολύτιμα στη μελέτη νευρολογικών διαταραχών όπως η σχιζοφρένεια και να βοηθήσουν στις δοκιμές νέων θεραπειών για νόσους όπως η πολλαπλή σκλήρυνση.

Προκειμένου να δημιουργήσουν τα «ανθρώπινα» ποντίκια οι ειδικοί από το Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ σε συνεργασία με συναδέλφους τους από το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης εξήγαγαν ανώριμα γλοιακά κύτταρα – γνωστά ως πρόδρομα γλοιακά κύτταρα – από ανθρώπινα έμβρυα που είχαν προκύψει από αμβλώσεις.

Τα κύτταρα αυτά μεταμοσχεύθηκαν στη συνέχεια στον εγκέφαλο μικρών ποντικιών. Μετά τη μεταμόσχευσή τους αναπτύχθηκαν και τελικώς αντικατέστησαν τα γλοιακά κύτταρα των ποντικιών.

Περαιτέρω μελέτη έδειξε ότι τα ανθρώπινα κύτταρα μετετράπησαν σε έναν τύπο ώριμων γλοιακών κυττάρων που είναι γνωστά ως αστροκύτταρα. Τα αστροκύτταρα παρέχουν θρεπτικά συστατικά στον εγκέφαλο και αποκαθιστούν βλάβες του.

Κάθε ποντίκι έλαβε 300.000 ανθρώπινα κύτταρα. Τα κύτταρα πολλαπλασιάστηκαν κατά τη διάρκεια ενός έτους έως ότου έγιναν 12 εκατομμύρια και αντικατέστησαν τα γλοιακά κύτταρα του ζώου. Όπως έγραψαν οι επιστήμονες «μετά από λίγους μήνες αρχίσαμε να παρατηρούμε ότι τα πρόδρομα γλοιακά κύτταρα αντικαθίσταντο από τα ανθρώπινα. Τα πρόδρομα γλοιακά κύτταρα των ποντικιών είτε πέθαναν είτε ‘μετακόμισαν’ σε άλλες, εξωτερικές περιοχές του εγκεφάλου. Έναν χρόνο αργότερα, σχεδόν όλα τα πρόδρομα γλοιακά κύτταρα είχαν αντικατασταθεί από ανθρώπινα κύτταρα. Έτσι τελικώς τα ποντίκια απέκτησαν έναν εξανθρωπισμένο εγκέφαλο».

Πιο έξυπνα και… σοφά

Astrocyte nerve cells make a wealth of connections. Image: Riccardi Cassiani Ingoni/SPL

Τα «ανθρώπινα» πειραματόζωα πέρασαν από τεστ μνήμης και μάθησης και όπως προέκυψε, όσα εξ αυτών διέθεταν ανθρώπινα κύτταρα, ήταν πολύ εξυπνότερα από τα υπόλοιπα. Σε ένα από τα τεστ, οι επιστήμονες εξέτασαν την ικανότητα των τρωκτικών να θυμούνται έναν ήχο ο οποίος συνδεόταν με ένα ήπιο ηλεκτροσόκ. Τα εξανθρωπισμένα ποντίκια «πάγωσαν» στο άκουσμα του ήχου τέσσερις φορές περισσότερο από όσα δεν διέθεταν ανθρώπινα κύτταρα. Το γεγονός αυτό μαρτυρεί ότι η μνήμη τους ήταν σαφώς ανώτερη.

Τα ανθρώπινα αστροκύτταρα είναι 10-20 φορές μεγαλύτερα σε μέγεθος σε σύγκριση με εκείνα των ποντικιών ενώ παράλληλα διαθέτουν ως και 100 φορές περισσότερες έλικες – δομές που μοιάζουν με κλωστές και βελτιώνουν τη σύνδεση μεταξύ νευρώνων. Παράλληλα, τα ανθρώπινα αστροκύτταρα παράγουν αυξητικούς παράγοντες που έχει αποδειχθεί ότι είναι σημαντικοί για τη μάθηση και τη μνήμη.

Οι ερευνητές εκτιμούν ότι τα υβριδικά ποντίκια θα βοηθήσουν στη μελέτη ενός μεγάλου εύρους νευρολογικών διαταραχών που πλήττουν τους ανθρώπους αλλά δεν είναι εύκολο να αναπαραχθούν στα ζώα. Εχουν ήδη ξεκινήσει να χρησιμοποιούν τέτοιους ανθρώπινους-ποντικίσιους εγκεφάλους για τη μελέτη μιας σπάνιας αλλά θανατηφόρας ιογενούς λοίμωξης του εγκεφάλου που ονομάζεται προϊούσα πολυεστιακή λευκοεγκεφαλοπάθεια. Συγχρόνως, μόλις ξεκίνησαν ένα νέο πρόγραμμα στο πλαίσιο του οποίου τα υβριδικά ποντίκια χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της σχιζοφρένειας.

Μελέτη για την πολλαπλή σκλήρυνση

Steven A. Goldman, Professor of Neuroscience and Neurology at University of Rochester Medical Center in Rochester, New York.

Η πιο πρόσφατη μελέτη των ειδικών από το Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ αφορά έγχυση ανθρώπινων κυττάρων στον εγκέφαλο ποντικιών τα οποία εμφάνιζαν έλλειψη του περιβλήματος μυελίνης των νευρώνων. Όπως φάνηκε, τα ποντίκια με τα ανθρώπινα κύτταρα άρχισαν να αναπτύσσουν περισσότερα κύτταρα τα οποία εξειδικεύονται στην παραγωγή μυελίνης σε σύγκριση με τα υπόλοιπα. Μελέτες σαν και αυτή μπορούν να οδηγήσουν στην ανάπτυξη νέων θεραπειών για νόσους όπως η πολλαπλή σκλήρυνση (σκλήρυνση κατά πλάκας) στην οποία το περίβλημα μυελίνης των νευρώνων καταστρέφεται με αποτέλεσμα να μην μπορούν να επικοινωνήσουν καλά μεταξύ τους.

Ο δρ Γκόλντμαν έχει ήδη υποβάλει αίτηση για διεξαγωγή δοκιμής με χρήση πρόδρομων γλοιακών κυττάρων σε ασθενείς με πολλαπλή σκλήρυνση και ελπίζει ότι θα λάβει τη σχετική άδεια μέσα σε περίπου έναν χρόνο.

Οι ανησυχίες

This human glial cell (green) is considerably larger and more complex than the normal mouse glial cells (red) surrounding it. Photo Credit: Steven Goldman

Άλλοι επιστήμονες χαρακτήρισαν «εκπληκτικό» το ότι τα μεταμοσχευμένα ανθρώπινα κύτταρα συνέχισαν να είναι λειτουργικά στα ποντίκια για μεγάλο διάστημα με δεδομένες τις διαφορές μεταξύ των δύο ειδών. Προειδοποίησαν ωστόσο σχετικά με την προοπτική τέτοιου είδους μελετών. Ο καθηγητής Βόλφγκανγκ Ενταρντ από το Πανεπιστήμιο Ludwig-Maximilians στο Μόναχο της Γερμανίας σημείωσε: «Πού μπαίνει ένα stop όταν ξεκινάμε να κάνουμε τα ζώα πιο ανθρώπινα;».