Para ilmuwan menciptakan otak miniatur di lab yang membentuk jaringan rumit dan menghasilkan gelombang otak yang serupa dengan yang dipicu oleh otak yang berkembang dari bayi manusia prematur, menurut sebuah studi baru.
Gagasan menumbuhkan otak mini di lab bukanlah hal baru; peneliti telah melakukannya selama hampir satu dekade. Tetapi sebagian besar penelitian telah menggunakan otak kecil ini atau "organoids" untuk mempelajari struktur skala besar.
Sebagai contoh, satu kelompok mengembangkan otak mini yang dapat menumbuhkan pembuluh darah, Live Science sebelumnya melaporkan. Kelompok lain mengekspos otak mini pada virus Zika untuk memahami bagaimana hal itu dapat menyebabkan kepala kecil yang tidak normal, atau mikrosefali.
Tetapi dalam kondisi seperti autisme, skizofrenia, gangguan bipolar dan bahkan depresi, "otak masih utuh dan masalahnya bergantung pada operasi jaringan," kata penulis senior studi Alysson Muotri, seorang profesor di Departemen Kedokteran Seluler dan Molekuler. direktur Program Sel Punca di Universitas California, San Diego. Ini adalah pertama kalinya otak laboratorium tumbuh membentuk jaringan neuron yang rumit yang menghasilkan gelombang otak yang kuat.
Untuk melakukan ini, Muotri dan timnya memanen sel batang manusia - yang dapat berubah menjadi tipe sel apa pun dengan instruksi yang tepat - berasal dari kulit dan darah manusia. Para peneliti mengekspos sel punca ini dengan instruksi kimia yang akan mengubah sel menjadi sel otak.
Sebagian besar, sel-sel ini membentuk sel-sel progenitor saraf, sel-sel spesifik otak yang dapat berkembang biak dan memunculkan banyak jenis sel-sel otak. Setelah dua hingga lima bulan di laboratorium, sel-sel progenitor ini membentuk neuron glutamatergik, sel-sel otak yang "rangsang," atau yang menyebarkan informasi.
Setelah sekitar empat bulan, otak mini berhenti membuat neuron rangsang dan mulai membuat astrosit. Sel-sel otak ini membantu membentuk sinapsis, celah antara sel-sel otak tempat neurotransmiter, atau bahan kimia otak, menyampaikan informasi. Akhirnya, sel-sel leluhur mulai membuat neuron penghambat, yang memadamkan aktivitas otak, atau menghentikan neuron dari menyampaikan informasi. Saat itulah "aktivitas mulai menjadi lebih kompleks, karena sekarang kita menyeimbangkan eksitasi dan penghambatan," kata Muotri.
Sementara sel-sel itu membelah dan berdiferensiasi, mereka akhirnya mulai "mengatur diri sendiri menjadi sesuatu yang menyerupai korteks manusia," kata Muotri. Korteks adalah lapisan luar otak, yang memainkan peran penting dalam kesadaran.
"Otak mini" tidak, pada kenyataannya, terlihat seperti versi mini dari otak manusia. Sebaliknya, mereka berwarna putih, gumpalan bola yang mengapung di sup kemerahan di mana mereka tumbuh, kata Muotri. Mereka tumbuh dengan diameter hanya 0,2 inci (0,5 cm), tetapi jaringan saraf mereka terus berkembang selama sembilan hingga 10 bulan sebelum berhenti, katanya.
Sepanjang pertumbuhan otak mini, tim menggunakan satu set elektroda kecil yang terhubung ke neuron untuk mengukur aktivitas otak. Para peneliti menemukan bahwa pada sekitar dua bulan, neuron-neuron di otak mini mulai menembakkan sinyal sporadis, semuanya pada frekuensi yang sama. Setelah beberapa bulan perkembangan, otak mengeluarkan sinyal pada frekuensi yang berbeda dan lebih teratur, menunjukkan aktivitas otak yang lebih kompleks, kata Muotri.
Sementara studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa otak kecil yang diproduksi di laboratorium dapat menghasilkan penembakan sel otak, para peneliti melaporkan mereka menembak sekitar 3.000 kali per menit, kata Muotri. Dalam studi ini, bagaimanapun, neuron-neuron itu menembak hampir 300.000 kali per menit, yang "lebih dekat ke otak manusia," katanya.
Tim kemudian menggunakan algoritma pembelajaran mesin untuk membandingkan aktivitas otak dari otak mini ini dengan bayi manusia prematur. Para peneliti melatih program mereka untuk mempelajari gelombang otak yang direkam dari 39 bayi prematur berusia antara 6 dan 9 setengah bulan.
Para ilmuwan kemudian memasukkan pola gelombang otak dari otak mini ke dalam algoritma dan menemukan bahwa setelah 25 minggu perkembangan otak mini, otak tidak bisa lagi membedakan data yang datang dari otak manusia dari yang berasal dari otak yang tumbuh di laboratorium. "Itu menjadi bingung dan memberi usia yang sama bagi mereka berdua," yang menunjukkan bahwa otak mini dan otak manusia tumbuh dan berkembang dengan cara yang sama, kata Muotri.
Studi ini menunjukkan "dengan sangat baik bahwa Anda dapat membuat sistem eksperimental yang dapat direproduksi ini di mana Anda dapat menangani proses yang sangat mendasar bagi perkembangan manusia", kata Dr. Thomas Hartung, direktur Johns Hopkins Center for Alternatives for Animal Testing. yang juga bekerja pada pengembangan otak kecil di lab tetapi yang bukan bagian dari penelitian.
"Tidak dapat diaksesnya otak embrionik adalah salah satu alasan mengapa model-model ini menawarkan sesuatu yang berbeda," katanya. "Tapi itu juga berarti kamu memiliki kesempatan yang sangat terbatas untuk mengatakan itu hal yang nyata." Sementara sinyal EEG mirip dengan bayi prematur, mereka sedikit tidak tepat waktu, tambahnya.
Sementara embrio manusia terhubung ke ibu dan dengan demikian menerima sinyal dari luar, otak yang tumbuh di laboratorium ini tidak terhubung dengan apa pun. "Sel-sel ini tidak memiliki input atau output, mereka tidak dapat mengenali apa pun yang terjadi di dunia," kata Hartung. Jadi mereka "pasti tidak sadar".
Itulah yang disetujui sebagian besar ilmuwan, tetapi "sulit dikatakan," kata Muotri. "Kami para ilmuwan saraf bahkan tidak setuju apa pengukuran yang dapat dilakukan seseorang untuk benar-benar menyelidiki untuk melihat apakah mereka sadar atau tidak."
Otak manusia mengirimkan sinyal untuk membantu kita berinteraksi dengan lingkungan kita. Sebagai contoh, kita melihat bug, mata mengirim sinyal ke sel-sel otak, yang memberi sinyal satu sama lain dan memberi tahu kami bahwa kami melihat bug.
Jadi, mengapa otak orang dewasa ini mengirim sinyal? Apa yang mungkin mereka bicarakan? "Itu pertanyaan yang tidak kita ketahui, karena otak embrionik benar-benar kotak hitam," kata Muotri. Tampaknya sebagian besar sinyal pada tahap awal ini melibatkan instruksi untuk "kawat diri," atau terhubung satu sama lain, katanya.
Bagaimanapun, dia berkata dia berharap studi seperti ini akan membantu kita memahami bagaimana kabel otak awal memunculkan otak kita yang kompleks, dan apa yang terjadi ketika kabel itu rusak.
Muotri dan timnya mengatakan mereka sekarang berharap untuk merangsang organoids otak lebih jauh untuk melihat apakah mereka dapat berkembang melampaui sembilan hingga 10 bulan. Para peneliti juga ingin memodelkan gangguan otak, misalnya dengan membuat organoids otak dengan sel yang diambil dari anak-anak dengan autisme, untuk memahami bagaimana jaringan otak mereka berkembang.
Temuan ini dipublikasikan hari ini (29 Agustus) di jurnal Cell Stem Cell.
