Выращенные в лаборатории модели мозга выявляют уникальные электрические паттерны при различных типах аутизма.

Новое исследование, опубликованное в журнале Translational Psychiatry, предполагает, что миниатюрные, выращенные в лаборатории модели мозга могут выявлять различные паттерны электрической активности при разных типах аутизма. Анализируя ткани мозга, выращенные из образцов мочи пациентов, ученые предоставляют доказательства того, что эти модели могут точно различать нейротипичных людей и людей с различными профилями аутизма. Эти результаты могут открыть новый путь к пониманию биологических корней аутизма и тестированию персонализированных методов лечения.

Аутизм — это расстройство нейроразвития, характеризующееся различиями в социальной коммуникации и ограниченным, повторяющимся поведением. Хотя некоторые случаи связаны со специфическими генетическими мутациями, известными как синдромный аутизм, большинство случаев имеют неизвестное происхождение и классифицируются как идиопатические.

Традиционные животные модели часто с трудом воспроизводят сложные особенности человеческого мозга. Это затрудняет изучение того, как конкретные генетические изменения влияют на функцию человеческого мозга. Органоиды мозга, полученные от пациентов, предлагают биологическое решение этой проблемы.

Органоиды мозга — это крошечные трехмерные скопления клеток мозга, выращенные в лаборатории, которые имитируют раннее развитие человеческого мозга. Поскольку они выращены из собственных клеток пациента, они сохраняют уникальный генетический состав этого человека. Это позволяет ученым изучать нейронные сети человеческого мозга в высоко персонализированном режиме.

«Во время моей работы над докторской диссертацией по нейробиологии я изучал новые методы разработки и доставки лекарств при неврологических и психиатрических расстройствах, уделяя особое внимание расстройствам аутистического спектра», — заявил автор исследования Нисим Перец, генеральный директор и соучредитель Itay&Beyond.

«Я опубликовал несколько статей об использовании наночастиц (экзосом) в качестве терапевтического и диагностического средства при аутизме. Эти статьи стали широко известны в этой области, и однажды ко мне обратился предприниматель из высокотехнологичной отрасли, у сына которого был диагностирован низкофункциональный аутизм. Вместе мы основали компанию Itay&Beyond и решили начать с «моделирования» мозга пациента, чтобы разработать и протестировать новое поколение лекарств и соединений, основанных на биологии пациента, а не на моделях животных».

Для проведения исследования ученые собрали образцы мочи у 15 участников. В эту группу вошли 11 человек с диагнозом аутизм и четыре нейротипичных контрольных участника. Среди участников с аутизмом у десяти был синдромный аутизм, связанный с пятью специфическими генетическими мутациями, а у одного — идиопатический аутизм.

Изученные специфические генетические состояния включали вариации в генах SHANK3, PPP2R5D, SCN2A, GRIN2B и STXBP1. Известно, что эти гены играют различные роли в развитии клеток головного мозга, передаче сигналов и формировании нейронных связей. Исследователи извлекли из мочи эпителиальные клетки, то есть клетки, выстилающие мочевыводящие пути.

Затем они перепрограммировали эти клетки в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Это особый тип клеток, которые можно направлять к превращению практически в любой тип клеток человеческого организма. Ученые направили эти стволовые клетки на развитие более чем в 400 отдельных органоидов мозга в течение примерно 60 дней.

После созревания органоидов исследователи поместили их на многоэлектродные матрицы. Это небольшие микрочипы, оснащенные датчиками, которые могут регистрировать электрические сигналы, передаваемые между нейронами. Нейроны — это основные клетки мозга, отвечающие за передачу и прием информации.

Ученые регистрировали электрическую активность органоидов в состоянии покоя в течение пяти минут. Затем они применяли кратковременную электрическую стимуляцию и регистрировали активность еще в течение пяти минут. Эта процедура позволила им измерить 18 различных электрических характеристик.

Данные характеристики включали частоту импульсов нейронов, частоту синхронизированных всплесков активности и общую связность нейронной сети. Для анализа этих сложных данных исследователи использовали математический метод, называемый анализом главных компонентов. Этот метод сжимает сложные данные в упрощенную визуальную карту, позволяя исследователям группировать схожие электрические паттерны.

Ученые обнаружили существенные различия в электрической активности органоидов, полученных от людей с аутизмом, по сравнению с контрольной группой. Органоиды от четырех нейротипичных контрольных лиц демонстрировали очень согласованные электрические паттерны. В ходе анализа данных они группировались близко друг к другу, показывая низкую вариативность.

«Некоторые результаты оказались лучше, чем ожидалось», — сказал Перец. «Наш первый вопрос заключался в том, есть ли какие-либо различия в активности органоидов между пациентами с аутизмом и контрольной группой, но когда мы начали анализировать данные, мы увидели интересную дифференциацию также между субпопуляциями пациентов с расстройством аутистического спектра».

Органоиды от человека с идиопатическим аутизмом, как правило, демонстрировали сниженную электрическую активность. Эти образцы показали значительно более низкую частоту разрядов и меньшее количество всплесков активности, чем контрольные образцы.

Большинство органоидов, полученных от пациентов с синдромным аутизмом, демонстрировали признаки гиперактивности. Например, образцы, связанные с мутациями STXBP1, PPP2R5D и GRIN2B, продемонстрировали значительно повышенную частоту разрядов. Образцы SCN2A показали смешанную частоту разрядов, но с заметно сниженной амплитудой электрического сигнала по сравнению с контрольными образцами.

Исследователи также наблюдали различия в реакции нейронных сетей на электрическую стимуляцию. Эта часть эксперимента измеряла кратковременную синаптическую пластичность. Синаптическая пластичность — это способность нейронной сети адаптироваться, усиливая или ослабляя связи между нейронами в течение коротких периодов времени.

Ученые специально изучали кратковременную депрессию и кратковременную потенциацию. Кратковременная депрессия включает временное снижение нейронной коммуникации, в то время как кратковременная потенциация включает временное увеличение. Данные свидетельствуют о том, что определенные генетические мутации серьезно нарушают этот естественный баланс.

Например, органоиды с мутациями STXBP1 и SHANK3 показали значительно сниженную кратковременную потенциацию и повышенную кратковременную депрессию по сравнению с контрольными образцами. В контрольных органоидах сети сохраняли относительно стабильный функциональный размер и плотность после стимуляции. Многие органоиды, полученные от пациентов с аутизмом, демонстрировали измененные структурные реакции на этот электрический сигнал.

Органоиды с мутациями STXBP1 показали выраженный и ранний коллапс сетевой связности после стимуляции. Образцы, связанные с мутациями PPP2R5D, сохраняли высокую связность до стимуляции, но сразу после нее резко падали. Это указывает на лежащую в основе уязвимость сети или нарушение способности восстанавливаться после внешних воздействий.

Исследователи отметили, что даже органоиды от пациентов с одной и той же генетической мутацией иногда демонстрировали разные электрические профили. Например, аномальные ритмичные вспышки наблюдались в образце от пациента с анамнезом судорог, но не во всех образцах из этой генетической группы. Это наблюдение согласуется с тем фактом, что люди с одним и тем же генетическим диагнозом могут проявлять очень разные ежедневные симптомы.

«Мы успешно продемонстрировали, что наша технология не только неинвазивна, но и позволяет различать выращенные в лаборатории ткани головного мозга пациентов с расстройством аутистического спектра и контрольной группы пациентов; более того, данные показывают, что система может различать различные субпопуляции аутизма на основе электрофизиологической активности выращенных в лаборатории тканей головного мозга», — сказал Перец в интервью PsyPost.

Хотя эти модели предоставляют подробные данные о нейронной активности, ученые предостерегают от преувеличения текущих возможностей технологии. Органоиды мозга все еще находятся на стадии разработки. Они не имитируют целостную структуру или сложную анатомию полностью сформированного человеческого мозга.

Органоидные сети представляют собой упрощенные модели. Это означает, что они не могут воспроизвести все аспекты функционирования или восприятия мира целым зрелым мозгом. Будущие исследования направлены на использование этой технологии для разработки и тестирования новых лекарств против различных психических и неврологических заболеваний.

«Компания Itay&Beyond стремится разработать и протестировать новое поколение лекарств от неврологических и психических расстройств, включая аутизм, эпилепсию, деменцию, шизофрению и другие, а также получить функциональные результаты, основанные на данных пациентов, для оценки эффективности и безопасности лекарств», — добавил Перец.

«Наша технология уже используется для тестирования лекарств и соединений фармацевтическими компаниями и академическими учреждениями, а также для оказания им помощи в их исследованиях. Мы также тестируем и разрабатываем собственные запатентованные лекарства для субпопуляции людей с аутизмом и другими расстройствами.

Что особенно интересно, наша технология представляет собой платформу для взаимодействия человека и мозга с компьютером и может выходить далеко за рамки разработки и тестирования лекарств. Некоторые из наших проектов сотрудничества не связаны с медициной и разработкой лекарств, а касаются передовых технологий и новых моделей интерфейсов «мозг-компьютер», таких как биологические нейронные сети и вычислительные, энергоэффективные модели для ИИ».

Источник: https://www.psypost.org/lab-grown-brain-models-reveal-unique-electrical-patterns-in-different-types-of-autism/

Оригинал исследования: https://doi.org/10.1038/s41398-026-03890-1