Seit Jahren züchten Wissenschaftler im Labor erbsengroße Miniaturcluster von Neuronen und anderen Zellen – sogenannte Gehirnorganoide. Diese bemerkenswerten Strukturen, die aus menschlichen Hautzellen stammen, ahmen die frühen Stadien der Gehirnentwicklung nach und bieten ein leistungsstarkes neues Werkzeug, um zu verstehen, wie sich unser Gehirn bildet und was bei neurologischen Störungen schiefläuft.
Gehirne in einer Schüssel wachsen lassen: Ein neuartiger Forschungsansatz
In einem Harvard-Labor inspizieren Dr. Paola Arlotta und ihr Team regelmäßig Regale mit „wissenschaftlichen Muffinformen“. In jedem Hohlraum befindet sich eine Lache rosafarbener Flüssigkeit, die Dutzende durchscheinender Nuggets beherbergt – Gehirnorganoide, die aus bis zu zwei Millionen Zellen bestehen. Dabei handelt es sich nicht um echte Gehirne, betont Dr. Arlotta, sondern um „reduktionistische Nachbildungen“, die es Wissenschaftlern ermöglichen, Aspekte der Gehirnentwicklung zu untersuchen, ohne sich mit den ethischen Komplexitäten der Arbeit mit menschlichen Gehirnen auseinandersetzen zu müssen.
Ein Jahrzehnt der Entwicklung: Von Hautzellen zu reifenden Neuronen
Die Reise beginnt mit von Freiwilligen gespendeten Hautzellen, die in Vorläuferzellen umgewandelt werden, die denen im fötalen menschlichen Gehirn ähneln. Diese Zellen vermehren sich dann, entwickeln sich zu Neuronen und anderen Gehirnzelltypen, stellen Verbindungen her und pulsieren mit elektrischer Aktivität. Dr. Arlottas älteste Organoide sind mittlerweile sieben Jahre alt und bieten eine einzigartige Aufzeichnung der Gehirnentwicklung. Bemerkenswerterweise zeigen die Neuronen in diesen Organoiden eine Entwicklung, die der eines sich entwickelnden menschlichen Gehirns entspricht und der eines Kindergartenkindes in einem fünf Jahre alten Organoid ähnelt.
Erweiterung der Anwendungen in den Neurowissenschaften
Das Gebiet der Hirnorganoidforschung wächst rasant und ermöglicht Wissenschaftlern:
- Verfolgen Sie die Zellentwicklung: Beobachten Sie, wie sich Zellen während der fetalen Entwicklung entwickeln und wandern.
- Untersuchen Sie äußere Einflüsse: Untersuchen Sie, wie Faktoren wie Zucker und andere Verbindungen die Gehirnentwicklung beeinflussen.
- Neurologische Erkrankungen modellieren: Generieren Sie Gehirnorganoide aus Zellen von Personen mit Erkrankungen wie Autismus, um zu untersuchen, wie sich genetische Mutationen auf Neuronen auswirken.
„Jeden Monat weiß man nicht, was kommt“, betont der Neurowissenschaftler Benoit Laurent die Dynamik des Fachgebiets.
Ethische Überlegungen und der Aufstieg der „organoiden Intelligenz“
Da Gehirnorganoide immer ausgefeilter werden, wächst der Bedarf an ethischer Kontrolle. Dr. Arlotta und 16 andere Wissenschaftler forderten kürzlich eine globale Aufsicht und betonten, wie wichtig es sei, sich auf das zu konzentrieren, was Organoide eigentlich sind, und nicht auf spekulative Möglichkeiten. Start-up-Unternehmen fördern „organoide Intelligenz“ und bauen KI auf. Computer, die Organoide verwenden, stehen auf dem Prüfstand, wobei einige Kritiker ihre Behauptungen als verfrüht bezeichnen.
Die P.R. ist weit über das hinausgegangen, was bisher getan wurde“, sagt der Neurowissenschaftler Sergiu Pașca und warnt davor, einfachen Zellkulturen Intelligenz zuzuschreiben.
Assembloide und die Untersuchung von Schmerzsignalen
Wissenschaftler kombinieren jetzt mehrere Organoide zu Netzwerken, die „Assembloide“ genannt werden, um komplexere Prozesse zu untersuchen. Eine solche Kreation von Dr. Pașca und seinem Team reproduzierte den Schmerzweg und beobachtete, wie Neuronen auf Reize reagierten und sogar synchronisiertes Feuern zeigten – ein Schlüsselaspekt der Schmerzverarbeitung. Durch die Einführung einer Mutation, von der bekannt ist, dass sie die Schmerzempfindlichkeit erhöht, zeigten sie, dass die Synchronität verstärkt wurde, und boten ein Modell für weitere Untersuchungen.
Erforschung künstlicher Intelligenz mit Gehirnorganoiden
Der biomedizinische Ingenieur Feng Guo verschiebt die Grenzen der Organoidforschung, indem er deren Potenzial zur Informationsverarbeitung erforscht. Sein Brainoware-System ermöglicht die Übertragung elektrischer Signale an und von Organoiden, sodass Forscher deren elektrische Aktivität beobachten können. In einem Experiment gelang es Brainoware, Vokale nach einer kurzen Trainingszeit erfolgreich zu entschlüsseln und damit eine rudimentäre Form künstlicher Intelligenz zu demonstrieren.
Bedenken hinsichtlich Bewusstsein und Leiden ansprechen
Während ein vollständiges Bewusstsein weiterhin eine ferne Möglichkeit bleibt, äußert der Bioethiker Insoo Hyun Bedenken hinsichtlich des Potenzials von Organoiden, Gedächtnis und eine Kontinuität von Erfahrungen zu zeigen, insbesondere in größeren, komplexeren Netzwerken. Trotz der Möglichkeit rudimentärer Formen des Bewusstseins betont Dr. Hyun die dringlichere Sorge: das Potenzial von Organoiden, zu leiden.
Was mir mehr Sorgen bereiten würde, ist das Gedächtnis und die Kontinuität der Erfahrung“, sagte Dr. Hyun.
Dr. Arlottas laufende Experimente mit Lichtstimulation an ihren ältesten Organoiden legen nahe, dass sie sich weiterentwickeln könnten, was diesen einzigartigen biologischen Modellen möglicherweise Komplexität und Langlebigkeit verleihen könnte. Die Zukunft der Hirnorganoidforschung verspricht weitere Fortschritte in unserem Verständnis des menschlichen Gehirns, seiner Entwicklung und der Komplexität neurologischer Erkrankungen.
