Mini-Gehirne im Labor zeigen komplexe EEG-Aktivität „wie bei Frühgeborenen“

San Diego – US-Forscher haben aus Stammzellen erbsengroße Organoide der menschli­chen Hirnrinde im Labor gezüchtet. Laut ihrem Bericht in Cell Stem Cell (2019; doi: 10.1016/j.stem.2019.08.002) kommunizierten die Nervenzellen über Synapsen spontan miteinander. Am Ende war sogar eine EEG-Aktivität nachweisbar.

Induzierte pluripotente Stammzellen, die sich heute aus beliebigen menschlichen Zellen erzeugen lassen, können im Labor zur Bildung größerer Zellverbände veranlasst werden. Diese Organoide ähneln zwar nur ansatzweise den natürlichen Organen, sie können aber benutzt werden, um einzelne Organfunktionen näher zu untersuchen.

Es ist der Forschung in den vergangenen Jahren gelungen, auch Nervenzellen zur Bildung von „Mini-Gehirnen“ zu veranlassen. Das Team um Alysson Muotri von der Universität von Kalifornien in San Diego ist jetzt das erste, das eine aktive Interaktion zwischen den ein­zelnen Neuronen belegen kann.

Den Forschern ist es gelungen, die Organoide über zehn Monate am Leben zu erhalten. Während dieser Zeit differenzierten sich die Stammzellen in Gliazellen und Neurone. Schon nach wenigen Wochen war ein Netzwerk erkennbar, in dem die einzelnen Neuro­nen über Synapsen miteinander verbunden waren und Signale austauschten.

Elektrische Aktivität nachweisbar

Diese elektrische Aktivität der Zellen konnten die Forscher von außen mit Elektroden auffangen, wie sie bei der Elektroenzephalografie (EEG) eingesetzt werden. Diese Geräte zeichnen die elektrischen Felder auf, die entstehen, wenn Aktionspotenziale auf der Mem­­bran der Neurone entlang geleitet werden.

Erste EEG-Signale waren nach wenigen Wochen detektierbar. Nach vier bis sechs Wochen hatte sich eine rhythmische Aktivität herausgebildet. Zunächst wurden Wellen im Bereich von 2 bis 3 Herz aufgefangen. Später kam es zu örtlichen Unterschieden, die Muotri mit dem Wechselspiel von glutaminergen und GABA-ergen Neuronen in Verbindung bringt. Glutamin ist im Gehirn der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter. Gamma-Amino­buttersäure (GABA) stimuliert vor allem inhibitorische Neurone.

Am EEG-Signale erreichten nach zehn Monaten eine Komplexität, wie sie laut Muotri auch bei Frühgeborenen in der 28. Gestationswoche auftreten. Tatsächlich war eine Soft­ware, die die Forscher darauf trainiert hatten, das Alter von Frühgeborenen anhand der EEG-Wellen zu erkennen, in der Lage auch das Alter der Organoide zu bestimmen.

Das bedeutet natürlich noch lange nicht, dass die erbsenkleinen Organoide mit dem sehr viel größeren Gehirn eines Frühgeborenen vergleichbar wäre. Für Muotri sind die EEG-Signale jedoch ein Hinweis, dass seine Organoide im Kleinen die Entwicklung von einzel­nen Regionen des menschlichen Gehirns nachvollziehen können.

Die Organoide könnten in Zukunft dazu dienen, einzelne Hirnleistungen, die das Verhal­ten, die Gedanken oder das Gedächtnis steuern, im Labor nachzuvollziehen. Dies könnte nach Ansicht von Muotri sinnvoll sein, um Erkrankungen wie Autismus, Epilepsie oder Schizo­phrenie zu erforschen.

Organoide werden laut Muotri bereits benutzt, um die Folge einer Zikainfektion im Ge­hirn zu untersuchen oder die Wirkung von HIV-Medikamenten für Hirnerkrankungen zu erproben. Muotri und sein Team haben kürzlich ihre Hirnorganoide zur Internationalen Raumstation geschickt, um die Auswirkungen der Mikrogravitation auf die Entwicklung des Gehirns zu testen.

Höhere Hirnaktivitäten oder gar ein Bewusstsein werden die Organoide jedoch nicht ent­wickeln. Dazu fehlt es den Organoiden an Komplexität. Das menschliche Gehirn enthält eine Vielzahl von Kernzentren, die in der Kommunikation miteinander unterschiedliche Aufgaben erledigen. Die Organoiden können vermutlich nur die Funktion einzelner Zent­ren nachbilden. Ihre Größe wird schon dadurch eingeschränkt, als es bisher nicht gelun­gen ist, sie in einen Blutkreislauf einzubinden. Dies hat zur Folge, dass sie sich nach etwa neun Monaten nicht mehr weiter entwickeln.

rme