Od naših najranijih dana u maternici, naš se mozak brzo razvija, poduzimajući tisuće razvojnih koraka koji nas šalju "ljudskim" putem, a ne putem, recimo, čimpanze. Sada istraživači stječu neviđeni pogled na te skrivene razvojne faze, zahvaljujući objektima uzgojenim u laboratoriju zvanim "organoidi mozga" koji nalikuju minijaturnim mozgovima veličine sjemenki jabuke.

"Mnoge razlike između ljudi i čimpanza doista se mogu pratiti vrlo rano u razvoju mozga", rekao je Gray Camp, biolog matičnih stanica sa Sveučilišta Basel u Švicarskoj. "Organoidi stvarno pružaju sustav koji možemo koristiti, kontrolirati i manipulirati, a ne uključuje ljudsko ili životinjsko tkivo pojedinaca."

Camp je zajedno s Barbarom Treutlein vodio novu studiju na kampusu za biosustave i inženjerstvo ETH Zuricha u Baselu. Objavljeno je u časopisu Nature.

Organoidi se uzgajaju iz matičnih stanica, koje imaju potencijal prerasti u bilo koju vrstu stanica u ljudskom tijelu. Istraživači mogu stvoriti različite vrste organoida dajući matičnim stanicama prave signale da ih potaknu u određenim smjerovima.

U organoidima mozga, matične stanice se razvijaju u neurone koji se uređuju u nešto što nalikuje minijaturnom mozgu. Glavne komponente kao što su stražnji i prednji mozak možda se neće uvijek razviti u istom području, a ponekad se uopće ne pojavljuju. Nakon šest do devet mjeseci razvoja, neuroni počinju stvarati veze i razmjenjivati električne signale, iako organoidi u trenutnoj studiji nisu smjeli toliko daleko da se razviju, rekao je Camp.

Naravno, moždani organoidi nisu isto što i pravi mozgovi u razvoju. Nedostaju im krvne žile i druge vrste stanica koje inače migriraju iz drugih tkiva i ne narastu duže od nekoliko milimetara. Ali prošla istraživanja su pokazala da su mnogi razvojni procesi vjerno ponovno stvoreni. Organoidi daju istraživačima način da modeliraju razvoj mozga u mnogim vremenskim trenucima, bez potrebe da se oslanjaju na stvarne mozgove umrlih laboratorijskih životinja ili ljudi.

U novoj studiji znanstvenici su uzgojili organoide iz ljudskih i čimpanzinih matičnih stanica, kao i iz matičnih stanica majmuna zvanih makaki. U različitim vremenskim točkama između pet dana i četiri mjeseca, uzeli su podskup organoida, odvojili stanice i ispitali koji su geni aktivni. Također su pogledali kako je DNK smotana kako bi se otkrilo kako se regulira aktivnost gena.

Najupečatljivije otkriće bilo je koliko su kasnije ljudski organoidi dosegli razvojne prekretnice.

"Ljudski organoidi imaju tendenciju da se razvijaju nešto sporije od čimpanze, a posebno makaka", rekao je Camp. "Količina vremena koje je neuronima potrebno da sazrijevaju promijenila se tijekom evolucije."

Prošle studije koje su koristile stvarna tkiva također su otkrile da ljudi imaju sporiji razvoj mozga od drugih vrsta, rekao je Camp. Nova otkrića pokazuju da se organoidi mogu koristiti za proučavanje takvih vremenskih razlika.

Istraživači su također otkrili mnoge razlike u genskoj aktivnosti između ljudi i naših rođaka primata u različitim fazama razvoja. Trenutno je teško znati što te razlike znače, ali Camp i njegovi kolege imaju plan kako to otkriti. Žele zamijeniti ključne dijelove DNK u ljudskim i neljudskim organoidima, ubacujući dio ljudske DNK u matične stanice čimpanze i malo DNK čimpanze u ljudske matične stanice, na primjer. Proučavajući kako zamijenjena sekvenca DNK mijenja rast organoida, istraživači bi trebali moći točno odrediti kako taj dio DNK pomaže da nas učini ljudima.

"Ovo je stvarno uzbudljivo vrijeme. Mislim da su ove rane studije samo početak onoga što možemo učiniti", rekao je Alex Pollen, biolog matičnih stanica na Kalifornijskom sveučilištu u San Franciscu, koji je ranije proveo sličnu studiju s organoidima mozga čimpanze. "Mislim da su ovo temeljna pitanja o našem vlastitom podrijetlu - razumijevanju kako smo postali ljudi."

Evolucijski uvidi iz moždanih organoida mogu dovesti do otkrića o bolestima i poremećajima, prema Camp i Pollenu. Nedavno razvijene osobine obično su sklonije disfunkciji, budući da evolucija nije imala vremena riješiti sve nedostatke. Na primjer, smatra se da su bolovi u leđima i porodne komplikacije povezani s relativno nedavnom navikom uspravnog hodanja naše vrste.

Nijedna promjena nije bila dramatičnija u ljudskoj evoluciji od širenja našeg mozga, rekao je Pollen. Proučavanje načina na koji se to jedinstveno proširenje događa moglo bi otkriti zašto ponekad krene po zlu.