Kajian Tetikus Memindahkan Neuron untuk Membangunkan Litar Otak
Kolaborator dari empat institusi - Universiti Harvard, Hospital Besar Massachusetts, Pusat Perubatan Beth Israel Deaconess (BIDMC) dan Sekolah Perubatan Harvard (HMS) - memindahkan neuron embrio yang berfungsi normal pada tahap perkembangan mereka yang dipilih dengan teliti ke dalam hipotalamus tikus yang tidak dapat bertindak balas leptin, hormon yang mengatur metabolisme dan mengawal berat badan.
Tikus mutan ini biasanya menjadi gemuk, tetapi transplantasi neuron memperbaiki litar otak yang cacat, yang memungkinkan mereka bertindak balas terhadap leptin dan berat badan lebih sedikit.
Pembaikan pada tahap sel hipotalamus - kawasan otak yang kritikal dan kompleks yang mengatur fenomena seperti kelaparan, metabolisme, suhu badan, dan tingkah laku asas seperti seks dan pencerobohan - menunjukkan kemungkinan pendekatan terapi baru terhadap keadaan seperti tulang belakang kecederaan tali pusat, autisme, epilepsi, ALS (penyakit Lou Gehrig), penyakit Parkinson, dan penyakit Huntington, kata para penyelidik.
"Hanya ada dua kawasan otak yang diketahui biasanya menjalani penggantian neuron berskala besar semasa dewasa pada peringkat sel - yang disebut 'neurogenesis' atau kelahiran neuron baru - mentol penciuman dan subkawasan hippocampus disebut dentate gyrus, dengan bukti yang muncul mengenai tahap neurogenesis yang berterusan di hipotalamus, ”kata Jeffrey Macklis, MD, profesor sel induk dan biologi regeneratif Universiti Harvard.
"Neuron yang ditambahkan semasa dewasa di kedua wilayah umumnya kecil dan dianggap bertindak sedikit seperti kawalan kelantangan terhadap isyarat tertentu. Di sini kami telah memasang sistem litar otak tahap tinggi yang secara semula jadi tidak mengalami neurogenesis, dan ini mengembalikan fungsi normal. "
Dua pengarang lain di kertas tersebut adalah Jeffrey Flier, dekan Sekolah Perubatan Harvard, dan Matthew Anderson, profesor patologi HMS di Beth Israel.
Pada tahun 2005, Flier menerbitkan sebuah kajian yang menunjukkan bahawa ubat eksperimen mendorong penambahan neuron baru di hipotalamus dan menawarkan potensi rawatan untuk kegemukan.
Tetapi sementara penemuannya menarik, para penyelidik tidak pasti sama ada sel-sel baru berfungsi seperti neuron semula jadi.
Makmal Macklis telah mengembangkan pendekatan untuk memindahkan neuron yang berkembang menjadi litar korteks serebrum tikus dengan neurodegenerasi atau kecederaan saraf. Dalam kajian tahun 2000, para penyelidik menunjukkan induksi neurogenesis pada korteks serebrum tikus dewasa, di mana ia tidak biasanya berlaku. Walaupun eksperimen ini dan tindak lanjut nampaknya membina semula litar otak secara anatomi, tahap fungsi neuron baru tetap tidak menentu.
Untuk mengetahui lebih lanjut, Flier, seorang pakar biologi kegemukan, bekerjasama dengan Macklis, seorang pakar dalam pengembangan dan pembaikan sistem saraf pusat, dan Anderson, seorang pakar dalam rangkaian saraf dan model penyakit neurologi tikus.
Para penyelidik menggunakan model tikus di mana otak tidak mempunyai keupayaan untuk bertindak balas terhadap leptin. Flier dan makmalnya telah lama mengkaji hormon ini, yang dimediasi oleh hipotalamus. Pekak untuk leptin memberi isyarat, tikus ini menjadi berlebihan berat badan.
Penyelidikan sebelumnya telah menunjukkan bahawa empat kelas utama neuron membolehkan otak memproses isyarat leptin. Para penyelidik melakukan transplantasi dan mengkaji perkembangan sel dan integrasi sel progenitor dan neuron yang sangat belum matang dari embrio normal ke dalam hipotalamus tikus mutan, menggunakan pelbagai jenis analisis sel dan molekul.
Untuk meletakkan sel-sel yang ditransplantasikan di kawasan hipotalamus yang tepat, mereka menggunakan teknik yang disebut mikroskopi ultrasound resolusi tinggi, mencipta apa yang disebut oleh Macklis sebagai "hipotalamus chimerik" - seperti haiwan dengan ciri campuran mitologi Yunani.
Para penyelidik kemudian melakukan analisis elektrofisiologi mendalam mengenai neuron yang ditransplantasikan dan fungsinya dalam litar penerima, dengan memanfaatkan neuron yang bersinar hijau dari protein ubur-ubur pendarfluor yang dibawa sebagai penanda.
Neuron yang baru lahir ini selamat dari proses transplantasi dan berkembang secara struktural, molekul, dan elektrofisiologi menjadi empat jenis neuron yang berpusat pada isyarat leptin. Neuron baru disatukan secara fungsional ke dalam rangkaian, bertindak balas terhadap leptin, insulin, dan glukosa. Tikus yang dirawat matang dan beratnya kira-kira 30 peratus lebih rendah daripada adik-beradik atau adik beradik mereka yang tidak dirawat dengan pelbagai cara.
Para penyelidik kemudian menyiasat sejauh mana neuron baru ini menjadi kabel ke litar otak menggunakan ujian molekul, mikroskop elektron untuk memvisualisasikan perincian litar, dan elektrofisiologi patch-penjepit, teknik di mana para penyelidik menggunakan elektrod kecil untuk menyiasat ciri-ciri neuron individu dan pasangan neuron secara terperinci. Oleh kerana sel-sel baru itu dilabel dengan label pendarfluor, para penyelidik dapat dengan mudah menemukannya.
Para penyelidik mendapati bahawa neuron yang baru dikembangkan berkomunikasi dengan neuron penerima melalui hubungan sinaptik normal, dan otak, pada gilirannya, memberi isyarat kembali. Menanggapi leptin, insulin dan glukosa, neuron-neuron ini secara efektif bergabung dengan rangkaian otak dan memasang semula rangkaian yang rosak.
"Menarik untuk diperhatikan bahawa neuron embrio ini dimasukkan dengan ketepatan yang lebih sedikit daripada yang disangka," kata Flier. "Tapi itu nampaknya tidak penting. Dari satu segi, neuron ini seperti antena yang dapat mengambil isyarat leptin dengan segera. Dari perspektif keseimbangan tenaga, saya terkejut bahawa sebilangan kecil neuron normal genetik dapat memperbaiki litar dengan cekap. "
"Penemuan bahawa sel-sel embrio ini sangat cekap dalam penyatuan dengan litar neuronal asli membuat kita cukup teruja dengan kemungkinan menggunakan teknik yang serupa dengan penyakit neurologi dan psikiatri lain yang mempunyai kepentingan khusus di makmal kita," kata Anderson.
Para penyelidik menyebut penemuan mereka sebagai bukti konsep untuk idea yang lebih luas bahawa neuron baru dapat menyatu secara khusus untuk mengubah litar kompleks yang cacat pada otak mamalia.
"Langkah seterusnya bagi kita adalah mengajukan soalan selari dengan bahagian otak dan saraf tunjang yang lain, yang terlibat dalam ALS dan dengan kecederaan saraf tunjang," kata Macklis. "Dalam kes-kes ini, dapatkah kita membangun kembali rangkaian di otak mamalia? Saya mengesyaki bahawa kita boleh. "
Kajian baru itu diterbitkan dalam jurnal Sains.
Sumber: Universiti Harvard
