Jarenlang hebben wetenschappers miniatuurclusters van neuronen en andere cellen, ter grootte van een erwt, in het laboratorium gekweekt. Deze opmerkelijke structuren, afgeleid van menselijke huidcellen, bootsen de vroege stadia van de hersenontwikkeling na en bieden een krachtig nieuw hulpmiddel om te begrijpen hoe onze hersenen zich vormen en wat er misgaat bij neurologische aandoeningen.
Hersenen kweken in een gerecht: een nieuwe onderzoeksaanpak
In een Harvard-laboratorium inspecteren Dr. Paola Arlotta en haar team routinematig rekken met ‘wetenschappelijke muffinpannen’. In elke holte bevindt zich een plas roze vloeistof, waarin tientallen doorschijnende goudklompjes zijn ondergebracht: hersenorganoïden die uit wel twee miljoen cellen bestaan. Dit zijn geen echte hersenen, benadrukt Dr. Arlotta, maar eerder ‘reductionistische replica’s’ waarmee wetenschappers aspecten van de hersenontwikkeling kunnen bestuderen zonder de ethische complexiteit van het werken met menselijke hersenen.
Een decennium van ontwikkeling: van huidcellen tot rijpende neuronen
De reis begint met door vrijwilligers gedoneerde huidcellen, die worden omgezet in voorlopercellen die lijken op de cellen die in het menselijke brein van de foetus worden aangetroffen. Deze cellen vermenigvuldigen zich vervolgens, ontwikkelen zich tot neuronen en andere typen hersencellen, brengen verbindingen tot stand en pulseren met elektrische activiteit. De oudste organoïden van Dr. Arlotta zijn nu zeven jaar oud en bieden een uniek verslag van de hersenontwikkeling. Opmerkelijk is dat de neuronen in deze organoïden een progressie vertonen die een weerspiegeling is van die van een zich ontwikkelend menselijk brein, en lijkt op die van een kleuter in een vijf jaar oude organoïde.
Uitbreiding van toepassingen in de neurowetenschappen
Het gebied van onderzoek naar hersenorganoïden breidt zich snel uit, waardoor wetenschappers:
- Volg de cellulaire ontwikkeling: Observeer hoe cellen zich ontwikkelen en migreren tijdens de ontwikkeling van de foetus.
- Bestudeer externe invloeden: Onderzoek hoe factoren zoals suiker en andere verbindingen de ontwikkeling van de hersenen beïnvloeden.
- Modelneurologische aandoeningen: Genereer hersenorganoïden uit cellen van individuen met aandoeningen zoals autisme om te bestuderen hoe genetische mutaties neuronen beïnvloeden.
“Elke maand weet je niet wat er gaat komen”, zegt neurowetenschapper Benoit Laurent, die de dynamiek van het vakgebied benadrukt.
Ethische overwegingen en de opkomst van ‘organoïde intelligentie’
Naarmate hersenorganoïden geavanceerder worden, groeit de behoefte aan ethisch toezicht. Dr. Arlotta en 16 andere wetenschappers hebben onlangs opgeroepen tot mondiaal toezicht, waarbij ze het belang benadrukten van het focussen op wat organoïden eigenlijk zijn, in plaats van op speculatieve mogelijkheden. Startende bedrijven die ‘organoïde intelligentie’ promoten en A.I. computers die organoïden gebruiken, worden kritisch onderzocht, waarbij sommige critici hun beweringen voorbarig noemen.
De PR is ver vooruit gegaan op wat er is gedaan”, zegt neurowetenschapper Sergiu Pașca, waarin hij waarschuwt tegen het toeschrijven van intelligentie aan eenvoudige celculturen.
Assembloïden en de studie van pijnsignalen
Wetenschappers combineren nu meerdere organoïden in netwerken die ‘assembloids’ worden genoemd om complexere processen te bestuderen. Eén van die creaties van Dr. Pașca en zijn team repliceerde het pijnpad, waarbij werd waargenomen hoe neuronen op stimuli reageerden en zelfs gesynchroniseerd vuren vertoonden – een belangrijk aspect van pijnverwerking. Door een mutatie te introduceren waarvan bekend is dat deze de pijngevoeligheid verhoogt, toonden ze aan dat de synchronie werd versterkt, wat een model bood voor verder onderzoek.
Onderzoek naar kunstmatige intelligentie met hersenorganoïden
Biomedisch ingenieur Feng Guo verlegt de grenzen van het organoïdenonderzoek door hun potentieel voor het verwerken van informatie te onderzoeken. Met zijn Brainoware-systeem kunnen elektrische signalen van en naar organoïden worden afgeleverd, waardoor onderzoekers hun elektrische activiteit kunnen observeren. In één experiment decodeerde Brainoware met succes klinkers na een korte trainingsperiode, wat een rudimentaire vorm van kunstmatige intelligentie aantoonde.
Het aanpakken van zorgen over bewustzijn en lijden
Hoewel een volledig bewustzijn een verre mogelijkheid blijft, uit bio-ethicus Insoo Hyun zijn zorgen over het potentieel van organoïden om geheugen en een continuïteit van ervaring te vertonen, vooral in grotere, ingewikkeldere netwerken. Ondanks de mogelijkheid van rudimentaire vormen van bewustzijn, benadrukt Dr. Hyun de urgentere zorg: het potentieel voor organoïden om te lijden.
Waar ik me meer zorgen over zou maken is het geheugen en de continuïteit van ervaringen,’ zei Dr. Hyun.
De voortdurende experimenten van Dr. Arlotta met lichtstimulatie op haar oudste organoïden suggereren dat ze zouden kunnen blijven evolueren, wat mogelijk de complexiteit en levensduur van deze unieke biologische modellen zou vergroten. De toekomst van onderzoek naar hersenorganoïden belooft voortdurende vooruitgang in ons begrip van het menselijk brein, de ontwikkeling ervan en de complexiteit van neurologische ziekten.
