人間の脳はどのように構築されるのでしょうか?
人間の脳の回路はどのように接続されているのでしょうか?
たとえば、私たちが手を伸ばして水の入ったグラスをつかむとき、脳の外層にある 1 つの小さなニューロンはどのようにして細い軸索を脊髄まで送り、適切なニューロンを見つけて筋収縮を制御するのでしょうか?
私がここでお伝えしたいのは、最終的にはあらゆる個人から人間の脳の一部を成長させ、いわゆる伝統的な実験室で機能する人間の回路を構築できるということです。
これらの神経組織の塊は脳オルガノイドとして知られており、これらを組み合わせて回路を形成すると、集合体になります。
集合ロイドは、人間の脳がどのように構築されるかを理解する鍵となる可能性があります。
今日、人間の脳について私たちが知っていることのほとんどは、動物、通常はマウスでの研究から得られています。
これらの動物の脳から私たちは多くのことを学んできましたが、人間の脳を独特で病気にかかりやすいものにする特徴は依然として謎のままです。
私はスタンフォード大学で訓練を受けた医師であり教授でもあります。私の研究室では、人間の脳がどのように発達するのか、人間の脳に障害がどのように発生するのかを研究し、新しい治療法を見つけるために型破りなアプローチをとっています。
しかし、私たちがどのようにこれを行っているかを説明する最良の方法は、私の患者の一人の目を通して見ることだと思います。
私がスタンフォード大学で研究室を開設したとき、自閉症スペクトラムのエドワードが、私たちが脳疾患を研究しているとどのように思っているかを描いたこの絵を送ってくれました。
彼の言葉を言い換えると、あなたがやっているのは、はしごを登って人々の脳に穴を開け、小さな望遠鏡を使って神経細胞を観察していることだと思う、と彼は言いました。
もちろん、それは私たちがやっていることではありません。
それで私は彼に電話してプロセスを説明し、翌朝彼は別の図面を送ってきました。最終的には私たちや他の多くの人が現在行っている仕事を非常に正確に表現したものになったと思います。
繰り返しになりますが、彼の言葉を言い換えると、特定の脳疾患を患っている患者から皮膚細胞を採取し、その細胞に非常に難しいことを行って、それらを過去に押し戻して幹細胞に変えるのです、と彼は言いました。
そして彼は、幹細胞を誘導してあらゆる種類の細胞にできることを知りました。
それで、あなたはそれらを取り出して、脳回路を形成する脳細胞に変えます。
それは正しい。
人間の脳回路を皿の中に構築することができます。
そんなことがあるものか？
過去 15 年ほどにわたる生物学者の懸命の努力を基に、今日ではあらゆる個人からあらゆる種類の細胞を採取し、それを時間を遡って幹細胞に変え、さらにそれらの幹細胞を他の種類の細胞に誘導できるようになりました。 。
まずは患者さんに少量の皮膚サンプルを提供していただくことから始めます。
次に、それらの皮膚細胞を採取し、一連の遺伝的要因を加えてそれらを再プログラムし、それらの皮膚細胞が幹細胞になるようにそれらを過去に押し戻します。
それは細胞錬金術のようなものです。
これらの幹細胞は、他の種類の細胞に変化する魔法のような能力を持っています。
どうしようか？
私たちはこれらの幹細胞を取り出し、それらを解離し、次にそれらを凝集させて球または小さな細胞球を形成します。
それを取り出して、化学スープのようなものが入っている特別なお皿に移します。
そして、その化学スープにより、彼らは成長し、変形し、脳オルガノイドに変わることができます。
さまざまな合図を提供することで、これらの脳オルガノイドを中枢神経系の特定の領域に似せることができます。
たとえば、脳の外層である大脳皮質になるためのレシピがあります。
要素のわずかに異なる組み合わせを使用することで、それらを脊髄に変えることができます。
このプロセスの秘訣は、丁寧な指導にあります。
最終的にはこんな感じになります。
皿の底にある脳細胞の小さな塊。
はっきり言っておきますが、これらは瓶の中の脳ではありません。
これらは実験皿の中の神経系の一部です。
それぞれの細胞には何百万もの細胞が含まれています。
そして、彼らが電気信号を発射する音を聞くこともできます。
あるいは、電気活動によって光が輝くのを観察することもできます。
あるいは、内部を画像化して、細胞が相互に通信している様子を観察することもできます。
ほんの数か月前、これらの細胞は患者の皮膚細胞でしたが、今では培養皿の底にある神経細胞の中にあり、安心して研究できると考えるのは驚くべきことではないでしょうか?
ありがとう。
ありがとう。
そこで私たちは、脳の成長に関するこれらのモデルを使って、病気を理解するために使用できないだろうかと考え始めました。
そこで、たとえば、低酸素が未熟児の脳にどのような影響を与えるかを理解できるだろうかと考えました。
そこで、これを行うために、脳オルガノイドを採取し、特別な培養器に入れました。
その後、酸素濃度を下げて観察しました。
非常に興味深いものを発見しました。
低酸素の影響を受けたのは、特定の 1 種類の細胞のみでした。
この細胞タイプは人間の皮質の拡大に関与しています。
私たちはそれがどのようにして起こるのかを正確に発見し、そのプロセスを阻止できる薬も発見しました。
これらの三次元組織の塊は、皿の中で何年も培養することができます。
実際、私たちはこれまでに報告されている中で最も長く、800日を超える文化を維持してきました。
出生に相当する9〜10か月でゆっくりと変化し、出生後の脳に似てきます。
私たちは、皿の中や子宮の外で時間を追跡する脳時計を発見しました。
この脳時計の根底にある分子機構を理解することは、人間の脳細胞を加速または減速、または若返らせるための新しい戦略を見つける鍵となる可能性があります。
私がこれまで紹介してきた研究は、人間の脳について教えてくれるだけでなく、倫理の最前線という点でも先駆的です。
オルガノイドと集合ロイドは人間の脳の完全なレプリカではありません。
それらは瓶の中の脳でも、小さな脳でも、フランケンシュタインの怪物への踏み台でもありません。
血流がなく、意味のある入力と出力を受け取りません。
しかし、ある時点で、それらはより複雑になる可能性があります。
ある時点で、彼らは感覚入力を受け取ることがあります。
したがって、科学が進歩するにつれて、私たち科学コミュニティは、倫理的な問題、社会的影響、潜在的な規制について議論することに非常に慎重になってきました。
これまで紹介してきた仕事のほとんどは、脳の特定の領域で行われていました。
しかし、回路を本当に理解するには、実際にはより複雑な脳回路を構築する必要があります。
そしてこれを実現するために、6 年前、私たちはアセンブロイドと呼ばれる人間の回路を構築するための新しいアプローチを考案しました。
集合ロイドは本質的に、複数のオルガノイドを組み合わせて皿の中に構築する組織のブロックです。
2 つの脳オルガノイドを組み合わせると、非常に興味深いことがわかります。
最初はお互いに融合していましたが、その後コミュニケーションを始めました。
そして、一方の脳細胞がゆっくりと反対側に移動し始め、実際の脳と同じように回路を形成しました。
実際、彼らが一方の側からもう一方の側に移動する様子を生で見ることもできます。
人間の細胞がどのようにしてこの独特のジャンプ動作をするのかを初めて見たとき、私たちが研究室で絶対的な畏敬の念を抱いたことを今でも覚えています。
これはどれも魅力的ですが、実際には何に役立つのでしょうか?
人間の脳の機能不全は、自閉症、統合失調症、アルツハイマー病などの脳障害を引き起こしますが、これはほとんど理解されていない壊滅的な状態です。
5人に1人近くが精神疾患を患っています。
さらに驚くべきことは、新薬発見の成功率がすべての医学分野の中で最も低いのは精神科だということだ。これはおそらく、これまで人間の脳に実際にアクセスできなかったためと思われる。
脳オルガノイドとアセンブリロイドを使用すると、患者の脳の発達に合わせたアバターを作成し、それを使用して病気の分子メカニズムを分析できます。
一例を挙げましょう。
これまで見てきたように、アセンブリロイドを使用して、ニューロンのこの健全なジャンプ動作をモデル化できます。
そこで私たちがやったのは、自閉症とてんかんに関連する稀な遺伝病であるティモシー症候群の患者から集合体を作成したことです。
集合体の中を覗いてみると、驚くべきことに気づきました。
細胞ははるかに速く動いていましたが、ジャンプするたびにジャンプする距離が短くなるため、最終的には取り残されてしまいます。
過去 6 年間にわたる広範な研究で、私たちは実際にこの欠損の分子機構を詳細に解明し、それを修復する方法も発見しました。そして、今後 1 年ほどで潜在的な治療法に向けて前進できることに興奮しています。
オルガノイドとアセンブリロイドの期待は、人間の脳の隠された生物学について、ゆっくりと新しい洞察を得ることができるようになるということです。
そうすることで、人間の脳の発達、進化、機能、病気についての考え方に革命をもたらす可能性があります。
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そうですね、より複雑な脳障害について実際に洞察を得るには、より複雑な回路を構築する必要があります。
それでは最後に、私たちがこれまでに構築した最も複雑な回路、つまり随意運動を制御する回路をお見せしましょう。
これを行うために、3 つのオルガノイドを作成しました。
1 つは皮質に似た紫色で示され、1 つは脊髄に似た黄色、そして人間の筋肉に似た赤色で示されています。
それからそれらを組み立てて融合するのを観察したところ、本当に素晴らしいことに気づきました。
皮質側の神経細胞が軸索を伸ばし始め、脊髄側の脊髄運動神経細胞を見つけて接続し、さらにそれらが突出して筋肉に接続します。
皮質側に軽い刺激を与えると、反対側の筋肉が収縮することに気づきました。
私たちは初めて人間の皮質運動経路をモデル化しました。
はっきり言っておきますが、これらの細胞はお互いを見つけます。
エンジニアリングとは異なり、人間の脳は自動的に構築されるため、基本計画や計画はありません。
そしてそれ自体、人間の脳の発達の基礎となるステップの一部をリバースエンジニアリングしようとする素晴らしい機会でもあります。
これはすべて SF の話のように聞こえるかもしれませんが、私たちは今、これを研究室で日常的に行っています。
私たちは、病気がどのように起こるかを理解するために、たとえば、ポリオウイルスなどのウイルスに感染させるなど、さまざまな精神神経疾患の患者から何千ものオルガノイドやアセンブリを抽出してきました。
統計学者のジョージ ボックスは、「すべてのモデルは間違っているが、一部のモデルは有用である」と言ったのは有名です。
私がこの仕事をしているのは、脳アセンブリとオルガノイドの約束と希望が、人間の脳の回路を再現できるようにすることで、人間の生物学に対する新たな洞察が得られ、それ自体が人類の新時代を開くことになるからです。脳疾患の治療。
ありがとう。
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