Forscher von Stanford haben eine Maus geschaffen, deren Großhirnrinde aus menschlichen Zellen besteht, und das Tier schneidet in einem Labyrinthtest besser ab als eine Maus, der Gehirngewebe fehlt. Die Arbeit, die heute in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wird, ist eine dramatische Demonstration dessen, was Organoïd-Technologie leisten kann – und sie kommt mit einer klaren Warnung, wo man aufhören sollte.
Die Maus, die die Forscher eine „Xenokortikale Maus“ nennen, hat fast die Hälfte ihres Gehirnvolumens durch menschliches Nervengewebe ersetzt. Das Ergebnis ist ein Nagetier, das besser geht, quiekt und sich an seine Umgebung erinnert als ein Kontrolltier, dem der Großteil seiner kortikalen und Hippocampus-Zellen fehlt.
Von Organoiden zu Mäusen
Pașcas Gruppe hat bereits gezeigt, dass menschliche Gehirn-„Organoide“ – kleine Klumpen von Nervengewebe, die in einer Schale gezüchtet werden – überleben und funktionieren können, nachdem sie in die Köpfe von jungen Nagetieren injiziert wurden. Jetzt sind sie noch weiter gegangen. Sie haben Mäuse genetisch so verändert, dass sich ihre Gehirne nicht vollständig entwickeln, wodurch der Großhirnrinde und der Hippocampus größtenteils leer bleiben.
In diesen leeren Raum platzierten sie menschliche Zellen. Die Zellen teilten sich, wuchsen und nahmen innerhalb weniger Wochen bis Monate den verfügbaren Raum ein, so Pașca. „Menschliche Zellen, die in diese Tiere eingesetzt werden, werden sich teilen, wachsen und innerhalb weniger Wochen bis einiger Monate den größten Teil dieses Raumes einnehmen.“
Die Mäuse ohne Gehirngewebe schienen zunächst ziemlich normal. Sie gingen herum und quietschten. Aber sie hatten Gedächtnisprobleme. In einem Labyrinthtest konnten sie sich nicht daran erinnern, welche Bereiche sie erkundet hatten.
Die Mäuse mit den hinzugefügten menschlichen Zellen schnitten in demselben Test besser ab. Das deutet darauf hin, dass das menschliche Gewebe eine Rolle bei der Kognition der Tiere spielt.
Was die Maus kann
Um die Tiere zu verfolgen, zeichneten mehrere Kameras eine Maus auf, während sie um eine kleine Arena streifte. Ein Computer zeichnete ihre Position und Geschwindigkeit auf und hinterließ Pong-ähnliche Spuren auf einem Monitor. Der Aufbau ermöglicht es den Forschern, das Verhalten des Tieres zu beobachten, während die zugrunde liegenden Daten ihnen mitteilen, wie schnell es sich bewegt und wohin es geht.
Der Labyrintest ist der deutlichste Beweis dafür, dass die menschlichen Zellen etwas Funktionelles tun. Eine Maus mit einem weitgehend fehlenden Cortex und Hippocampus – zwei Bereiche, die zentral für Gedächtnis und Navigation sind – sollte Schwierigkeiten mit einem Labyrinth haben. Stattdessen erinnerte sich die xenocortikale Maus an ihren Weg.
Das ist der Kern der Demonstration. Die menschlichen Zellen, die außerhalb des Körpers gezüchtet und in ein lebendes Gehirn platziert wurden, integrierten sich in das Nervensystem der Maus über eine Artgrenze hinweg. Sie bildeten Verbindungen, sie funktionierten und verbesserten die Leistung des Tieres bei einer Aufgabe, die Gedächtnis und räumliches Denken testet.
Warum das wichtig ist
Carsten Charlesworth, ein Wissenschaftler, der in einem anderen Stanford-Labor arbeitet und nicht an der Forschung beteiligt war, bezeichnete die Arbeit als eine dramatische Demonstration der „kombinierten Kraft der Gentechnik und der Stammzelltechnologie, um die Biologie umzugestalten“. Er wies auf den Umfang hin, in dem menschliches Nervengewebe, das nach der Geburt eingeführt wurde, mit dem Mausnervensystem über eine Artgrenze hinweg wuchs und sich verband.
„Mit fortschreiten dieser Technologien werden wir zunehmend gezwungen sein, unsere traditionellen Annahmen in Frage zu stellen“, sagte Charlesworth.
Die xenocortikale Maus könnte nützlich sein, um Hirnverletzungen zu untersuchen, sagt Pașca. Das Tier hat ein geschädigtes Gehirn, das teilweise mit menschlichem Gewebe repariert wurde. Forscher können beobachten, wie das Gehirn auf Traumata reagiert, wie es heilt und was passiert, wenn menschliche Zellen als eine Art biologisches Patch verwendet werden.
Der Vergleich ist drastisch. Eine Kontrollmaus ohne Hirngewebe hat keinen Reparaturmechanismus. Sie geht, sie piept, sie vergisst. Die xenocortikale Maus hat ein geschädigtes Gehirn, das teilweise mit menschlichem Gewebe repariert wurde. Sie geht, sie piept, sie erinnert sich besser.
| Tier | Hirngewebe | Labyrinthleistung |
|---|---|---|
| Kontrollmaus | Fehlender Cortex und Hippocampus | Schlechte Erinnerung, vergisst das Labyrinth (1) |
| Xenokortikales Mausmodell (2) | Mit menschlichen Zellen ersetzt (3) | Verbesserte Erinnerung, erinnert sich an das Labyrinth (4) |
Die Ethik-Frage (5)
Im vergangenen Jahr berief Pașca eine Gruppe von Ethikexperten zusammen, um die Auswirkungen der Neuralorganoid-Technologie zu untersuchen. Die Fragen waren ernst: Könnte ein Tier menschliches Bewusstsein entwickeln? Könnten „Organoid-Therapie-Kliniken“ betrügerische Behandlungen für verzweifelte Patienten anbieten? (6)
Pașca ist nicht besorgt, dass die Nagetiere irgendeine Art von menschlichen kognitiven Fähigkeiten besitzen. Ihre Gehirne sind relativ klein, und der evolutionäre Abstand zwischen Mensch und Maus ist so groß. Aber er zieht eine klare Linie bei Primaten. (7)
„Ich halte es zum jetzigen Zeitpunkt für keinen Fall gerechtfertigt,“ sagte er über die Hinzufügung menschlicher Gehirnorganoide zu einer Affenart, die ohne Kortex konstruiert wurde. „Eine der Dinge, die ich als eine sehr klare rote Linie ansehe, ist die Durchführung dieses Experiments an einem Primaten.“ (8)
Die Logik ist einfach. Eine Maus steht so weit von Menschen entfernt, dass ein Gehirn, das teilweise aus menschlichen Zellen besteht, eine Kuriosität ist. Ein Affe ist näher. Ein großes Volumen funktionierendes menschliches Gehirngewebe in einem Primaten könnte die kognitiven Grenzen zwischen Menschen und Tieren verwischen. (9)
Was kommt als Nächstes (10)
Die xenokortikale Maus ist ein Beweis für das Konzept. Sie zeigt, dass menschliches Nervengewebe in ein lebendes Gehirn platziert werden kann, Verbindungen eingeht und das Verhalten verändert. Die Frage ist jetzt, was als Nächstes passiert. (11)
Gehirnorganoide werden bereits in Laboren getestet, um zu sehen, ob sie mit Computern verbunden werden können, um Videospiele zu spielen. Andere Wissenschaftler haben vorgeschlagen, sie als Ersatzteile zur Behandlung von Schlaganfallopfern zu verwenden. Die Technologie entwickelt sich weiter, und jeder neue Schritt stößt gegen traditionelle Annahmen über das, was ein Gehirn ist und was es kann. (12)
Pașcas Warnung bezüglich Primaten ist bemerkenswert, da sie vom Forscher selbst kommt. Er wartet nicht auf Vorschriften oder Gruppendruck. Er zieht eine Grenze basierend auf dem, was er für berechtigte Wissenschaft hält.
Die Xenokortikal-Maus ist ein seltsamer, aber cleverer Trick. Sie löst ein Labyrinth besser als eine Maus ohne Hirngewebe und tut dies mit einer menschlichen Großhirnrinde. Das ist ein nützliches Werkzeug für die Untersuchung von Verletzungen. Es ist auch eine Erinnerung daran, dass die Grenze zwischen Tier und Mensch nicht festgelegt ist und dass die Wissenschaft immer wieder dagegen stößt.
Die Arbeit wird in Nature veröffentlicht. Die Technologie existiert. Die ethische Debatte hat begonnen. Der nächste Schritt ist noch nicht klar. Aber die Xenokortikal-Maus hat gezeigt, was möglich ist.
Sehen Sie sich das Video an, auf das sich die Geschichte stützt, unter Technologyreview.
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