Para saintis mencipta otak kecil di dalam makmal yang membentuk rangkaian yang rumit dan menghasilkan gelombang otak yang serupa dengan yang dipancarkan oleh otak yang berkembang dari bayi manusia pramatang, menurut satu kajian baru.
Idea untuk mengembangkan otak kecil di makmal bukanlah perkara baru; penyelidik telah melakukannya selama hampir satu dekad. Tetapi kebanyakan kajian telah menggunakan otak mini atau "organoid" untuk mengkaji struktur berskala besar.
Contohnya, satu kumpulan mengembangkan otak mini yang boleh membina saluran darah, Live Science sebelum ini dilaporkan. Satu lagi kumpulan telah menampakkan otak kecil kepada virus Zika untuk memahami bagaimana ia boleh membawa kepada kepala yang tidak normal, atau microcephaly.
Tetapi dalam keadaan seperti autisme, skizofrenia, gangguan bipolar dan juga kemurungan, "otak utuh dan masalahnya bergantung kepada operasi rangkaian," kata penulis kanan kajian Alysson Muotri, profesor bersekutu Jabatan Perubatan Selular dan Molekul dan pengarah Program Stem Cell di University of California, San Diego. Ini adalah kali pertama otak lab telah membentuk rangkaian neuron rumit yang menghasilkan gelombang otak yang kuat.
Untuk melakukan ini, Muotri dan pasukannya menuai sel stem manusia - yang boleh berubah menjadi jenis sel yang diberikan arahan yang betul - berasal dari kulit dan darah manusia. Para penyelidik mendedahkan sel-sel stem ini kepada arahan kimia yang akan mengubah sel-sel ke dalam sel-sel otak.
Selebihnya, sel-sel ini membentuk sel progenitor saraf, sel-sel khusus otak yang dapat berkembang dan menimbulkan banyak jenis sel otak. Selepas dua hingga lima bulan di dalam sebuah makmal, sel-sel progenitor ini membentuk neuron glutamatergik, sel-sel otak yang "bersemangat," atau mereka yang menyebarkan maklumat.
Selepas kira-kira empat bulan, otak-otak mini berhenti membuat neuron-stimulator dan mula membuat astrocytes. Sel-sel otak ini membantu membentuk sinaps, jurang antara sel-sel otak di mana neurotransmitter, atau bahan kimia otak, lulus maklumat. Akhirnya, sel-sel progenitor mula membuat neuron-molekul yang menghambat, yang menghilangkan aktiviti otak, atau menghentikan neuron daripada menyampaikan maklumat. Itulah ketika "aktiviti mula menjadi lebih kompleks, kerana sekarang kita mengimbangi pengujaan dan perencatan," kata Muotri.
Walaupun sel membahagi dan membezakan, mereka akhirnya mula "menyusun diri menjadi sesuatu yang menyerupai korteks manusia," kata Muotri. Korteks adalah lapisan luar otak, yang memainkan peranan penting dalam kesedaran.
"Otak mini" sebenarnya tidak kelihatan seperti versi kecil otak manusia. Sebaliknya, mereka adalah gumpalan putih, sfera yang terapung di dalam sup merah di mana mereka ditanam, kata Muotri. Mereka membesar hanya dengan diameter 0.2 inci (0.5 sentimeter), tetapi rangkaian saraf mereka terus berkembang selama sembilan hingga 10 bulan sebelum berhenti, katanya.
Sepanjang pertumbuhan otak mini, pasukan menggunakan satu set elektrod kecil yang menyambung ke neuron untuk mengukur aktiviti otak. Para penyelidik mendapati bahawa sekitar dua bulan, neuron di dalam otak mini mula menyala isyarat sporadis, semuanya pada frekuensi yang sama. Selepas beberapa bulan pembangunan, otak mengeluarkan isyarat pada frekuensi yang berbeza dan lebih kerap, yang menunjukkan aktiviti otak yang lebih kompleks, kata Muotri.
Walaupun kajian terdahulu menunjukkan bahawa otak, otak yang dihasilkan oleh makmal boleh menghasilkan tembakan sel otak, para penyelidik melaporkan bahawa mereka menembak kira-kira 3,000 kali seminit, kata Muotri. Dalam kajian ini, bagaimanapun, neuron melancarkan hampir 300,000 kali seminit, yang "lebih dekat dengan otak manusia," katanya.
Pasukan itu kemudian menggunakan algoritma pembelajaran komputer untuk membandingkan aktiviti otak otak-otak kecil ini dengan bayi manusia pramatang. Para penyelidik telah melatih program mereka untuk mempelajari gelombang otak yang direkodkan dari 39 bayi pramatang antara 6 dan 9 dan setengah bulan.
Para saintis kemudian memberi makan pola gelombang otak dari otak kecil ke dalam algoritma dan mendapati bahawa selepas 25 minggu perkembangan otak mini, ia tidak lagi boleh membezakan data yang datang dari otak manusia dari yang berasal dari otak lab-tumbuh. "Ia menjadi keliru dan memberikan umur yang sama kepada kedua-dua mereka," yang menunjukkan bahawa otak kecil dan otak manusia berkembang dan berkembang sama, kata Muotri.
Kajian ini menunjukkan "sangat baik bahawa anda boleh membuat sistem percubaan yang boleh dihasilkan ini di mana anda boleh menangani proses-proses yang sangat penting bagi perkembangan manusia", kata Dr. Thomas Hartung, pengarah Johns Hopkins Centre for Alternatives to Animal Testing yang juga telah bekerja untuk membangunkan mini-otak di makmal tetapi yang bukan sebahagian daripada kajian ini.
"Ketidakhadiran otak embrio adalah salah satu sebab mengapa model ini menawarkan sesuatu yang berbeza," katanya. "Tetapi ia juga bermakna anda mempunyai peluang yang sangat terhad untuk mengatakan yang sebenar." Walaupun isyarat EEG sama dengan bayi pra-jangka, mereka sedikit di masa, katanya.
Walaupun embrio manusia disambungkan kepada ibu dan dengan itu menerima isyarat dari luar, otak-otak lab yang tidak dihubungkan dengan apa-apa. "Sel-sel ini tidak mempunyai input atau tiada output yang mereka tidak dapat mengenali apa-apa yang terjadi di dunia," kata Hartung. Jadi mereka "pasti tidak" sedar.
Itulah yang paling disetujui ahli sains, tetapi "sukar untuk mengatakan," kata Muotri. "Kami ahli sains saraf tidak bersetuju sama ada pengukuran yang boleh dilakukan untuk benar-benar menyiasat untuk melihat sama ada mereka sedar atau tidak."
Otak manusia menghantar isyaratnya untuk membantu kita berinteraksi dengan persekitaran kita. Sebagai contoh, kita melihat pepijat, mata menghantar isyarat ke sel-sel otak, yang memberi isyarat kepada satu sama lain dan beritahu kami bahawa kami sedang melihat pepijat.
Jadi, kenapa otak-otak makmal ini menghantar isyarat? Apa yang boleh mereka bicarakan? "Itulah soalan yang tidak kita ketahui, kerana otak embrio adalah kotak hitam," kata Muotri. Nampaknya kebanyakan isyarat di peringkat awal ini melibatkan arahan untuk "mengendalikan diri," atau menyambung satu sama lain, katanya.
Walau bagaimanapun, beliau berharap kajian seperti ini akan membantu kita memahami bagaimana pendawaian otak awal menimbulkan otak kompleks kita, dan apa yang berlaku apabila pendawaian itu menjadi serba salah.
Muotri dan pasukannya berkata mereka kini berharap untuk merangsang organo otak lebih jauh untuk melihat jika mereka boleh berkembang melebihi sembilan hingga 10 bulan. Penyelidik juga ingin memodelkan gangguan otak, contohnya dengan mewujudkan organ-organ otak dengan sel yang diambil dari kanak-kanak dengan autisme, untuk memahami bagaimana rangkaian otak mereka berkembang.
Penemuan telah diterbitkan hari ini (29 Ogos) dalam jurnal Cell Stem Cell.
