ラボで成長した「ミニ・ブレーン」は、未熟児の電気的パターンに似ています
構造は、研究者がてんかんを含む脳発達障害の初期段階を研究するのに役立つ可能性がある。
サラリアードン
  
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脳オルガノイド
脳オルガノイドを通るスライスは、構造の外縁部でより成熟した皮質ニューロンを示す。クレジット：Muotri Lab / UC San Diego

皿の中で成長した「ミニ・ブレーン」は、人間のような脳波を自発的に作り出しました。電気的パターンは未熟児に見られるものと似ています。

この進歩は、早期脳発達を研究するのに科学者を助けることができる。この分野の研究は、分析のための胎児組織試料を得ることが困難であり、子宮内の胎児を検査することがほとんど不可能であるという理由から、遅い。多くの研究者は、これらの「オルガノイド」の約束に興奮しています。このオルガノイドは、3Dカルチャーとして成長すると、脳に見られる複雑な構造のいくつかを発達させることができます。しかしこの技術はまた、意識を発達させる可能性のある小型の臓器を作る倫理についても疑問を投げかけている。

カリフォルニア大学サンディエゴ校の神経科学者Alysson Muotriが率いる研究チームは、人間の幹細胞を萎縮させ、認知を制御し感覚情報を解釈する脳領域である皮質から組織を形成しました。彼らは数百の脳オルガノイドを10ヶ月間培養し、個々の細胞を試験して、典型的な発生中のヒトの脳で見られるのと同じ遺伝子集合を発現していることを確認した1。このグループは、今月サンディエゴで開催された「神経科学学会」での研究発表を行った。

驚くべきパターン
Muotri氏と彼の同僚は、ミニ脳の表面に電気的パターンまたは脳波（EEG）活動を連続的に記録した。 6ヶ月で、オルガノイドは以前に作成された他の脳オルガノイドよりも速く発砲し、チームを驚かせた。

脳波パターンもまた予期せぬものでした。成熟した脳では、ニューロンは予測可能なリズムで発火する同期ネットワークを形成する。しかし、オルガノイドは、脳の発達に見られる同期電気活動の混沌とし​​たバーストに似た不規則な脳波パターンを示した。研究者らは、これらのリズムを未熟児の脳波と比較すると、オルガノイドのパターンは、受胎後25〜39週に生まれた乳児のパターンを模倣することを見出した。

オルノイドは実際の人間の脳に近いものではない、とMuotriは言う。彼らは皮質に見られるすべての細胞型を含んでおらず、他の脳領域にもつながっていません。

しかし、彼のグループは、オルガノイドが成熟し続けるかどうかをより長く見極めるためにオルガノイドを成長させるために現在作業中です。脳や身体の他の部分をシミュレートするオルガノイドに結合することによって、これらの構造が正常な皮質のように機能するかどうかを探求する予定です。

脳波の比較
「これは非常に興味深く、非常に驚​​くべきことです」と、フィラデルフィアのペンシルベニア大学の発達神経科学者、ソンジュン（Sonj）は語っています。早期幼児脳波パターンとの類似点は、オルガノイドが癲癇や自閉症のような脳発達障害の研究に最終的に役立つ可能性があることを示唆している。

ソングはまた、脳波パターンがオルガノイドにどのように由来するかを研究することは、研究者が脳の発達においてどのように脳波リズムが出現するかを理解するのに役立つと考えている。

しかし誰もが同意するわけではない。ヘルシンキ大学の脳神経医学者、Sampsa Vanhataloは、有機体の脳波が未熟児の脳波のように見えるからといって、同じことをしているわけではないとMuotriが測定した乳児EEGのデータベースを開発したオルガノイド。

サンフランシスコカリフォルニア大学サンフランシスコ校の神経科医であるArnold Kriegsteinは、研究者たちは赤ちゃんの脳がどのように配線されているかをほとんど知っていないので、同じであることを証明するのは難しいでしょう。オルガノイドは実際の脳の脳波パターンを駆動する重要な要素を欠いている可能性がある、と彼は付け加えている。

意識の起源
にもかかわらず、このプロジェクトは、オルガノイドが意識を発達させるかどうかについての倫理的疑問を提起すると、ワシントン州シアトルの脳科学のアレン研究所の神経科学者Christof Kochは述べています。 「彼らが早産児に近づくほど、彼らはもっと心配すべきです」

しかし、オルガノイドが意識している時期を知るのは難しいかもしれないと認識しています。なぜなら、研究者は大人の意識を測定する方法や幼児に現れる時期についても同意しないからです。

Muotriは、オルガノイドが自己認識しているという証拠があれば、プロジェクトを中止することを検討するとしていますが、今は非常に原始的です。 「この段階では非常に灰色の地帯で、誰もがこの可能性をはっきりと見ているとは思っていない」

Nature 563,453（2018）

doi：10.1038 / d41586-018-07402-0
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Lab-grown ‘mini brains’ produce electrical patterns that resemble those of premature babies
Structures could help researchers to study the early stages of brain development disorders, including epilepsy.
Sara Reardon

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brain organoid
A slice through a brain organoid shows more mature cortical neurons on the outer edge of the structure.Credit: Muotri Lab/UC San Diego

‘Mini brains’ grown in a dish have spontaneously produced human-like brain waves for the first time — and the electrical patterns look similar to those seen in premature babies.

The advancement could help scientists to study early brain development. Research in this area has been slow, partly because it is difficult to obtain fetal-tissue samples for analysis and nearly impossible to examine a fetus in utero. Many researchers are excited about the promise of these ‘organoids’, which, when grown as 3D cultures, can develop some of the complex structures seen in brains. But the technology also raises questions about the ethics of creating miniature organs that could develop consciousness.

A team of researchers led by neuroscientist Alysson Muotri of the University of California, San Diego, coaxed human stem cells to form tissue from the cortex — a brain region that controls cognition and interprets sensory information. They grew hundreds of brain organoids in culture for 10 months, and tested individual cells to confirm that they expressed the same collection of genes seen in typical developing human brains1. The group presented the work at the Society for Neuroscience meeting in San Diego this month.

Surprising patterns
Muotri and his colleagues continuously recorded electrical patterns, or electroencephalogram (EEG) activity, across the surface of the mini brains. By six months, the organoids were firing at a higher rate than other brain organoids previously created, which surprised the team.

The EEG patterns were also unexpected. In mature brains, neurons form synchronized networks that fire with predictable rhythms. But the organoids displayed irregular EEG patterns that resembled the chaotic bursts of synchronized electrical activity seen in developing brains. When the researchers compared these rhythms to the EEGs of premature babies, they found that the organoids' patterns mimicked those of infants born at 25–39 weeks post-conception.

The organoids aren’t close to being real human brains, Muotri says. They don’t contain all the cell types found in the cortex, and they don’t connect to other brain regions.

But his group is now working to grow the organoids for longer to see whether they will continue to mature. The researchers also plan to explore whether these structures function like a normal cortex by hooking them up to organoids that simulate other parts of the brain or body.

Brain-wave comparison
“This is very intriguing and very amazing,” says Hongjun Song, a developmental neuroscientist at the University of Pennsylvania in Philadelphia. Although the work is preliminary, he adds, the similarities to preterm infant EEG patterns suggest that the organoids could eventually be useful for studying brain-development disorders, such as epilepsy or autism.

Song also thinks that studying how EEG patterns originate in an organoid could ultimately help researchers to understand how EEG rhythms emerge in a developing human brain.

But not everyone agrees. Just because the organoids’ brain waves look like those in premature babies doesn’t mean they’re doing the same thing, says Sampsa Vanhatalo, a neurophysiologist at the University of Helsinki who developed the database of infant EEGs to which Muotri compared measurements from his organoids.

And proving that they're the same will be difficult because researchers know so little about how babies' brains are wired, says Arnold Kriegstein, a neurologist at the University of California, San Francisco. The organoids could be missing key components that drive EEG patterns in real brains, he adds.

Origins of consciousness
Nevertheless, the project raises ethical questions about whether organoids could develop consciousness, says neuroscientist Christof Koch, president and chief scientific officer of the Allen Institute for Brain Science in Seattle, Washington. “The closer they get to the preterm infant, the more they should worry.”

But he acknowledges that it could be difficult to know when an organoid is conscious, since researchers don’t even agree on how to measure consciousness in adults, or on when it appears in infants.

Muotri says that he would consider halting the project if there were evidence that the organoids had become self-aware, but right now they are very primitive. “It’s a very grey zone in this stage, and I don’t think anyone has a clear view of the potential of this.”

Nature 563, 453 (2018)

doi: 10.1038/d41586-018-07402-0
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https://www.nature.com/articles/d41586-018-07402-0 　

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