«Микромозги» объединили в сеть

Чтобы изучать сердце, кишечник, мозг, лёгкие, лучше всего взять настоящее сердце, кишечник, мозг и лёгкие и ставить на них каике-то эксперименты. Но в реальности это далеко не всегда возможно, даже если мы умеем поддерживать жизнеспособность органа вне тела. Например, если мы хотим изучить, как формируется тот или иной орган, нам нужно его по-настоящему вырастить в лабораторных условиях. Долгое время это оставалось фантастикой, пока исследователи не научились создавать органоиды.

Про органоиды мы неоднократно рассказывали. Их создают в лаборатории из стволовых клеток, которые превращаются сразу в несколько типов специализированных клеток, образующих орган. До полноценного, настоящего органа с его настоящими размерами органоиды не вырастают — они остаются микроскопическими, и, строго говоря, они представляют собой не весь орган, а часть органа. То есть кишечный органоид — это не уменьшенный кишечник, а небольшой мешочек, фрагмент кишечной стенки. Однако даже такие органоиды чрезвычайно полезны: клетки в них формируются в трёхмерной обстановке, их со всех сторон окружают другие клетки, с которыми они обмениваются сигналами, — и это более естественная ситуация, чем когда клетки растут слоем на какой-нибудь поверхности и просто болтаются в неупорядоченной взвеси. Объёмность органоида очень сильно приближает его к настоящему органу, и во многих отношениях он и ведёт себя как настоящий орган.

Органоиды есть самых разных видов: почечные, желудочные, сердечные, кожные и даже мозговые. При этом мозговые органоиды остаются пока наименее полезными — потому что нейроны в них работают не как сеть. Органоидные нейроны активны, они генерируют и принимают импульсы друг от друга, но они не общаются друг с другом, они не создают своих сигналов в ответ на чужие сигналы, не модулируют их, они, грубо говоря, не «обдумывают» ту информацию, которая к ним приходит. Мозговой органоид в меньшей степени похож на мозг, чем кишечный — на кишечник. Мозговой органоид имитирует, скорее, какой-то отдельный нейронный узел, один из огромного количества таких узлов в настоящем мозге, и лучше его называть не мозговым органоидом, а нейронным. Поэтому, например, органоиды пока что мало дали исследователям, занимающимся психоневрологическими заболеваниями, — они слишком просты для этого.

Сотрудники Колумбийского университета нашли способ усовершенствовать мозговые органоиды — их нужно объединить в сеть. В статье в Nature Communications описано, в каких условиях нужно выращивать нейронные органоиды (или нейросферы), чтобы они потянулись друг к другу. Они не просто соединяются друг с другом нейронными отростками, они обмениваются сигналами, и не просто повторяют полученные сигналы, но как-то их меняют, проводят с ними свои вычисления и генерируют некий вывод. Получается модульная нейронная сеть, MoNNet (Modular Neural Networks), в которой каждая сфера — отдельный вычислительный модуль, обменивающийся мнениями с другими модулями.

Когда такую сеть модулей сделали из нейронов с мутациями, обнаруживающимися при шизофрении, то оказалось, что внутри каждой нейросферы клетки сигналят друг другу, как обычно, а вот обмен сигналами между нейросферами нарушился, и сама сеть в смысле информационного сигнала стала менее стабильной. Разумеется, это нельзя назвать полноценной моделью шизофрении (тем более что органоиды получали из мышиных нейронов). Но, по крайней мере, с помощью метода MoNNet можно лучше понять некоторые её симптомы — например, ослабление рабочей памяти. Кстати, когда «шизофреническую» сеть нейросфер обрабатывали лекарством, усиливающим умственные способности у мышей с симптомами шизофрении, то сеть как бы приходила в себя, и обмен сигналами в ней стабилизировался.

В перспективе методом MoNNet собираются проверить самые разные мутации, связанные с шизофренией и другими сложными психоневрологическими расстройствами: на уровне нейросферных сетей мутации могут проявиться более выпукло, так что станет понятно, какую роль они играют в развитии тех или иных заболеваний.