חולדה עם “ראש אנושי”: מהפכה בחקר התפתחות המוח

כחלק מקידום המחקר על הפרעות נפשיות והתפתחות המוח, חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד בארה”ב הגיעו לפריצת דרך דרמטית כאשר הצליחו לחבר בהצלחה תאי עצב אנושיים חיים עם רקמת מוח של חולדות ליצירת מעגלי עבודה משותפים.

המחקר, המתפרסם בכתב העת היוקרתי Nature, מדגים שיטה לביצוע ניסויים שבכל צורה אחרת היו פולשניים, קשים או בלתי אפשריים. “על ידי גידול רקמת מוח אנושית במעבדה החיה של מוח של חולדה, חוקרים יכולים לראות השפעות על התנהגות החיה”, הסביר סרג’יו פסקה, פרופ’ לפסיכיאטריה ומדעי ההתנהגות בבית הספר לרפואה בסטנפורד ומוביל המחקר.

“אנו יכולים כעת לחקור התפתחות מוחית בריאה, כמו גם הפרעות מוחיות מובנות שהשתרשו בהתפתחות, בפירוט חסר תקדים, בלי צורך לכרות רקמות ממוח אנושי”, ציין צוות החוקרים, “אנחנו יכולים גם להשתמש בפלטפורמה החדשה הזו כדי לבדוק תרופות חדשות וטיפולים גנטיים להפרעות נוירופסיכיאטריות”.

ההתחלה: מתאי עור לתאי גזע

ב-2015 דיווח פרופ’ פסקה לראשונה על שיטת המחקר החדשה. במחקר ההוא, תאי עור אנושיים הפכו לראשונה לתאי גזע, שיכולים להתמיין מ-200 סוגי התאים של הגוף. בתנאי מעבדה מוקפדים התמיינו תאים אלה למספר סוגי תאי מוח והתרבו ליצירת אורגנואידים הדומים לקליפת המוח – השכבה החיצונית ביותר של המוח האנושי.

וריאציות בפרוטוקול זה איפשרו לפסקה ולעמיתיו ליצור אורגנואידים המייצגים תריסר אזורי מוח שונים. “יצרנו מעגלים יותר ויותר מסובכים בצלחת באמצעות אורגנואידים ושילובים מתוחכמים שלהם, הנקראים אסמבלואידים”, הוא מספר. “אבל הנוירונים בתוך צלחות המעבדה האלה עדיין מפגרים בהתפתחותם בהשוואה למה שתראו במוח אנושי שמתפתח באופן טבעי”. לדבריו, ישנם אתגרים רבים, כמו חוסר בחומרים מזינים וגורמי גדילה, שמעכבים את ההתפתחות בצלחת המעבדה.

תאי חולדה נדדו לתוך הרקמה האנושית

המושתלים במחקר החדש היו גורי חולדות בני יומיים עד שלושה בלבד – המקבילה לגיל הינקות באדם. “ביצוע הליך זהה באמצעות חולדות בוגרות לא היה משתלם במיוחד”, אמר פסקה, “מכיוון שקשרים מוחיים נוצרים במידה רבה בשלב מוקדם בהתפתחות. המוח הופך פחות מתירני באופן משמעותי ליצירת קשרים נוספים לאחר שחלפו התקופות המוקדמות והקריטיות הללו”.

לאחר חודשיים בערך בתרבית, אורגנואידים הדומים מאוד לקליפת המוח האנושית הועברו למוחות של כ-100 חולדות צעירות במהלך המחקר. האורגנואידים הונחו באותו מיקום במוח של כל חולדה, כך שניתן היה לעקוב אחר התפתחותם ביתר קלות.

עד מהרה גילו החוקרים כי תאים מהחולדות נדדו לתוך הרקמה האנושית: תאי אנדותל של חולדה חדרו אל שתלי המוח האנושיים והתאספו לכלי דם, המספקים חומרים מזינים וחומרי איתות לתאים האנושיים ומסלקים מטבוליטים של פסולת. תאי חיסון, תושבי מוח החולדה, איכלו גם את השתל האנושי. “הם עברו מיד פנימה,” תיאר פסקה.

האורגנואידים האנושיים שהושתלו שרדו, שיגשגו וגדלו. מגודל של כחמישית אינץ’ כשהושתלו, הם התרחבו בתוך שישה חודשים עד לנקודה שבה תפסו שליש מחצי הכדור של מוח החולדה שאליו הושתלו.

כעת, היו נוירונים בודדים מהאורגנואידים האנושיים שבמוחות החולדות גדולים לפחות פי שישה מאלה שבאורגנואידים שנוצרו באותו אופן ובאותו זמן והושארו בצלחת. הם גם הציגו דפוסי הסתעפות הרבה יותר מתוחכמים.

נוירונים מהאורגנואידים הקימו “חנות” במוחן של החולדות ויצרו קשרים עובדים עם מעגלים מקומיים. אחד ממבני המוח של החולדה שאיתם יצרו הנוירונים האנושיים קשרים ישירים היה התלמוס, אזור בעומק המוח שמעביר מספר כניסות חושיות לקליפת המוח. “ייתכן שהחיבור הזה סיפק את האיתות הדרוש להתבגרות ושילוב מיטביים של הנוירונים האנושיים”, אמר פסקה.

הניסוי בתסמונת טימותי

כדי לאמוד את יכולתם של האורגנואידים המושתלים לסמן יסודות מולקולריים של הפרעות נוירו-פסיכיאטריות אנושיות, פסקה ועמיתיו פנו לתסמונת טימותי, מצב גנטי נדיר הקשור מאוד לאוטיזם ואפילפסיה. המדענים השתילו אורגנואיד שנוצר מתאי עור של חולה תסמונת טימותי לצד אחד של המוח של החולדה. בנקודה המקבילה בצד השני הם השתילו אורגנואיד שנוצר מאדם בריא, ששימש כביקורת.

חמישה עד שישה חודשים לאחר מכן, החוקרים הבחינו בהבדלים ניכרים בין הפעילות החשמלית של שני הצדדים. הנוירונים של תסמונת טימותי היו הרבה יותר קטנים והיו חסרים בהצמחת הרחבות מסועפות דמויות מברשת, הנקראות דנדריטים, הפועלות כאנטנות לקלט מתאי עצב סמוכים. “למדנו הרבה על תסמונת טימותי על ידי לימוד אורגנואידים שנשמרו בצלחת”, אמר פסקה. “אבל רק עם השתלה הצלחנו לראות את ההבדלים הקשורים לפעילות עצבית”.

לדבריו, “השתלת אורגנואידים מאנשים עם סכיזופרניה או אוטיזם, למשל, לעומת אלה ללא תסמונות אלו, לצדדים מנוגדים של המוח של אותה חולדה – עשויה לחשוף הבדלים בגודל, מורכבות, תפקוד וקישוריות”.

הכל מתחיל מהשפם

חוקרי סטנפורד דאגו למקם את האורגנואידים באזור המוח של החולדות, המעבד מידע חושי מהשפם שלהן. השערות הארוכות הבולטות מהחוטם של החולדות מזהות חפצים ומשטחים סמוכים ועוזרות להן להימנע מהתנגשויות כשהן נעות במהירות או במקומות לא מוכרים.

המדענים הראו, באופן מוחלט, שניתן להפעיל נוירונים אנושיים על ידי קלט מהחושים של החולדות. לדוגמה, כשהם הפריעו לשפם של החולדות הבוגרות באמצעות נשיפות אוויר, הנוירונים האנושיים במוחן של החולדות הפכו פעילים חשמלית והגיבו בסנכרון לנשיפות האוויר הבודדות.

בערך 200 יום לאחר ההשתלה, בדיקות קוגניטיביות הראו שהחולדות לא פחדו יותר מחולדות הביקורת, שמרו על יכולות זיכרון דומות ולא חוו התקפים. “בסך הכל, לא ראינו שיפורים או גירעונות”, אמר פסקה.

יש התניה פבלובית

בניסוי אחר, המדענים השתילו אורגנואידים אנושיים ששונו כך שניתן יהיה להפעיל את הנוירונים המרכיבים אותם על ידי תדרים ספציפיים של אור לייזר כחול. כשלושה חודשים לאחר מכן, החוקרים הכניסו כבלי סיבים אופטיים דקים במיוחד, שיכולים להעביר אור לייזר מנקודת מוצא מרוחקת אל האורגנואידים האנושיים במוחן של החולדות. אחר כך הונחו חולדות אלה בקופסת זכוכית עם פיית מים זעירה. החוקרים השתמשו בצורת התניה פבלובית על ידי מתן התפרצויות אקראיות של אור כחול כדי להפעיל רקמה אנושית-אורגנואידית בתוך המוח של החולדות – אך הפיכת המים לזמינים לחולדות רק לאחר פעימות אור כחול. בתום תקופת הכשרה של 15 יום, די היה בפעימת האור הכחול לתוך האורגנואיד כדי לשלוח את החולדות לרוץ אל הפייה.

החולדות למדו לקשר את גירוי האור הכחול של הנוירונים האנושיים המושתלים שלהן עם התגמול של מים, והוכיחו כי הרקמה האנושית המושתלת השתלבה ויכולה לעסוק במעגלים מחפשי התגמול של החולדות. “זהו מעגל המוח האנושי המתקדם ביותר שנבנה אי פעם מתאי עור אנושיים והדגמה שתאי עצב אנושיים מושתלים יכולים להשפיע על התנהגות בעל חיים”, סיכם פרופ’ פסקה. “הפלטפורמה שלנו מספקת, בפעם הראשונה, קריאות התנהגותיות עבור תאים אנושיים ויכולה, כך אנו מקווים, להאיץ את ההבנה שלנו לגבי מצבים פסיכיאטריים מורכבים”.