Elusat inimkudet on ajust raske kätte saada ja see raskendab neuroloogiliste haiguste uurimist. Seetõttu on teadlased viimasel kümnendil kasvatanud patsiendi tüvirakkudest kolmemõõtmelisi ajumudeleid ehk organoide. Neid nn miniajusid hoitakse elus selleks kohandatud anumates. Katseklaasis jääb nende areng aga paratamatult poolikuks.

Kunstlikus keskkonnas puudub koel loomulik verevarustus ja sinna ei jõua ka meeleelundite signaalid. Samuti ei saa rakumass suunata katseklaasis elusolendi käitumist. Soovides seda kitsaskohta ületada, on teadlased varem siiranud väikeseid organoide näriliste ajju.

Kui uurida aju aga alles areneva peremeesorganismiga, seab see uustulnukast organoidile füüsilised piirid, sest looma kolju sisse ei mahu lisamaterjali lõputult. Samal ajal tõrjub hiire enda kiiresti arenev närvivõrgustik aeglasemalt kasvava inimkoe kõrvale. Seetõttu ei suuda inimrakud luua närilise ajus piisavalt kaugeleulatuvaid ühendusi.

Uus kasvuruum

Nüüd leidsid Stanfordi Ülikooli uurijad viisi, kuidas teha inimrakkudele hiire ajus sõna otseses mõttes ruumi. Nad kasutasid geneetilist lülitit, mis peatas looma enda ajukoore ja hipokampuse arengu: need piirkonnad vastutavad imetajate taju ja keerulise liikumise eest. Nii tekkis hiire koljusse suur õõnsus ja aju kõrgemad keskused, nt kõne- ja liikumiskeskused jäid rakkudest sisuliselt tühjaks.

Teadlased siirdasid sellesse tühimikku inimese ajukoore neli varajases arengustaadiumis organoidi. Uues avaras keskkonnas hakkas inimkude kasvama ootuspäraselt ja jõudsalt.

Mõne kuuga täitis siiratud kude ligi 90 protsenti hiire puuduvast ajukoore mahust. Inimrakud ei jäänud anatoomiliselt eraldi, vaid ajasid oma jätked allesolevatesse looma ajuosadesse. Mõned närvikiud ulatusid suisa hiire seljaajuni kaelapiirkonnas.

Töörühma juhi Sergiu Paşca sõnul tekkis loomas sünkroniseeritud elektrilise aktiivsusega närvivõrgustik. Teisisõnu reageeris inimkude selgelt hiire näopiirkonna liigutustele. See tõestas teadlastele, et siiratud rakud põimusid edukalt peremeesorganismi närvisüsteemiga.

Avarama kasvukeskkonnaga kaasnes teinegi bioloogiline edusamm. Siiratud koes ehk siirikus hakkasid arenema haruldased süvakihi neuronid, mis meenutavad suurtele imetajatele omaseid von Economo neuroneid. Tavalises katseklaasis need keerulised rakutüübid ellu ei jää.

Nende haruldaste rakkude teke on oluline, sest avab psühhiaatriliste haiguste uurimiseks täiesti uued võimalused. Paljud inimeste sotsiaalse taju häired on seotud just selliste ajurakkude tööga, mida teadlased saavad nüüd lõpuks elusolendis uurida.

Eetilised arutelud seisavad veel ees

Kuigi katseloomade aju anatoomia ehitati uuringus põhjalikult ringi, säilisid selle peamised elutähtsad funktsioonid. Tehisaru abil analüüsitud videopilt kinnitas, et hiired liikusid normaalselt ringi ja uudistasid ümbrust. Uurijad märkasid vaid kergeid erisusi näriliste peenmotoorikas ja käppade asetuses, kuid hiirte üldine aktiivsus jäi normi piiresse.

Stanfordi teadlaste sõnul annab katseloomade säilinud liikumisvõime uuele mudelile tohutu praktilise eelise. Kuna hiirtel pole raskeid liikumishäireid, saavad uurijad hiljem täpselt mõõta, kuidas mingid kindlad inimkoe kahjustused loomade käitumist muudavad.

Töörühm soovis järele proovida ka oma uue mudeli praktilist väärtust. Selleks tekitasid nad hiirtele sünnitraumaga kaasnevat hapnikupuudust matkiva olukorra. Uurijad paigutasid loomad mitmeks tunniks kambrisse, kus hapnikutase oli vähendatud vaid viie protsendini. Kui hiired äärmuslikest tingimustest naasid, analüüsisid uurijad üksikasjalikult nende kõnnakut.

Hapnikupuudus jättis inimkudedesse bioloogilise kahjustuse jäljed ja tekitas põletiku. Rakutasandil toimunud muutused peegeldusid seejuures otseselt looma käitumises: hiirte kõnnak muutus stabiilsemaks, sest nad toetusid igal sammul korraga rohkematele käppadele.

Edusammudest hoolimata on uuel mudelil omad bioloogilised piirangud. Inimese ja hiire aju loomulik arengutempo on väga erinev. Samuti puudub siiratud koel praegu eristatavanatoomiline struktuur: näiteks pole seal veel täiskasvanud inimese küpsele ajukoorele iseloomulikku selget kihtide jaotust.

Mudeli edasiseks täiustamiseks tuleb töörühma sõnul katsetest tõstatuvate eetiliste küsimuste üle pidevalt ja avalikult arutleda. Tulevased uuringud peavad hindama riske, mis kaasnevad inimese närvivõrgustiku viimisega looma ajju. Eetilised küsimused muutuvad eriti teravaks siis, kui siiratav inimkude õnnestub laboris muuta veelgi küpsemaks ja keerukamaks.

Teadustöö avaldati ajakirjas Nature.