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Conheça Assembloids, mini cérebros humanos com músculos conectados

Não é sempre que uma bolha de tecido humano 3D se contorcendo em forma de boneco de neve ganha o dia de alguém.





Mas quando o Dr. Sergiu Pasca da Universidade de Stanford testemunhou o pequeno movimento , ele sabia que seu laboratório havia alcançado algo especial. Veja, a bolha evoluiu a partir de três pedaços de tecido humano cultivados em laboratório: um minicérebro, uma minibrela espinhal e um minúsculo músculo. Cada componente individual, misturado à misteriosa perfeição humanóide dentro de incubadoras borbulhantes, já é uma obra de gênio científico. Mas Pasca deu um passo a mais, marinando os três componentes dentro de uma sopa de nutrientes.


O resultado foi um tecido humano bizarro semelhante ao Lego que replica os circuitos básicos por trás de como decidimos nos mover. Sem aviso externo, quando misturados como sorvete, os três ingredientes se ligavam fisicamente em um circuito totalmente funcional. O mini-cérebro 3D, por meio da rodovia de informações formada pela medula espinhal artificial, foi capaz de fazer o músculo crescido em laboratório se contrair sob demanda.


Em outras palavras, se você acha que minicérebros isolados - conhecidos formalmente como organóides do cérebro - flutuando em uma jarra é assustador, atualize seus pesadelos. A próxima grande novidade na sondagem do cérebro são os assemblóides - circuitos cerebrais de flutuação livre - que agora combinam o tecido cerebral com uma saída externa.


O objetivo final não é assustar as pessoas. Em vez disso, é para recapitular nosso sistema nervoso, desde a entrada das informações a sua saída, dentro do ambiente controlado.

Uma entidade autônoma e viva do cérebro-medula espinhal-músculo é um modelo inestimável para descobrir como nosso próprio cérebro dirige os intrincados movimentos musculares que nos permitem ficar em pé, andar ou digitar no teclado.


É próximo passo para interfaces cérebro-máquina mais hábeis e de certa forma um modelo para entender quando as conexões cérebro-músculo falham - como em condições devastadoras como a doença de Lou Gehrig ou Parkinson, onde as pessoas perdem lentamente o controle muscular devido à morte gradual dos neurônios que controlam os músculos de função. Assembloids são uma espécie de “mini-eu”, uma solução alternativa para testar tratamentos potenciais em uma simples “réplica” de uma pessoa, em vez de diretamente em um humano.


De organoides a assemblóides

O fragmento em miniatura do sistema nervoso humano levou muito tempo para ser criado.

Tudo começou em 2014, quando a Dra. Madeleine Lancaster, então pós-doutoranda em Stanford, desenvolveu uma réplica 3D chocantemente intrincada de tecido cerebral humano dentro de uma incubadora giratória. Revolucionariamente diferentes das culturas de células padrão, que trituram o tecido cerebral para reconstruí-lo como uma rede plana de células, os organóides cerebrais 3D de Lancaster eram incrivelmente sofisticados em sua recapitulação do cérebro humano durante o desenvolvimento. Estudos subsequentes solidificaram ainda mais sua semelhança com o cérebro em desenvolvimento de um feto - não apenas em termos de tipos de neurônios, mas também em suas conexões e estrutura.




Com a descoberta de que esses minicérebros desencadeavam atividade elétrica, os bioeticistas levantaram cada vez mais bandeiras vermelhas de que as bolhas de tecido cerebral humano - não maiores que o tamanho de uma ervilha, no máximo - poderiam abrigar o potencial de desenvolver um senso de consciência se amadurecessem com entrada e saída externas.

Apesar dessas preocupações, os organóides cerebrais se tornaram um sucesso instantâneo. Como são feitos de tecido humano - geralmente retirados de pacientes humanos reais e convertidos em estados semelhantes a células-tronco - os organoides possuem a mesma composição genética de seus doadores. Isso torna possível estudar em um prato condições desconcertantes, como autismo, esquizofrenia ou outros distúrbios cerebrais. Além do mais, como eles são cultivados em laboratório, é possível editar geneticamente os minicérebros para testar potenciais culpados genéticos na busca por uma cura.


No entanto, os minicérebros tinham um calcanhar de Aquiles: nem todos eram iguais. Em vez disso, dependendo da região do cérebro que foi submetida à engenharia reversa, as células tiveram que ser persuadidas por diferentes coquetéis de sopas químicas e mantidas em isolamento. Era um forte contraste com nosso próprio cérebro em desenvolvimento, onde regiões são conectadas por rodovias de redes neurais e funcionam em conjunto.


Pasca enfrentou o problema de frente. Apostando na capacidade de automontagem do cérebro, sua equipe levantou a hipótese de que seria possível desenvolver diferentes minicérebros, cada um refletindo uma região cerebral diferente, e fazer com que eles se fundissem em uma banda sincronizada de circuitos de neurônios para processar informações. No ano passado, sua ideia valeu a pena.


Em um estudo alucinante , sua equipe transformou duas partes distintas do cérebro em bolhas, uma representando o córtex e a outra, uma parte mais profunda do cérebro conhecida por controlar a recompensa e o movimento, chamada estriado. Surpreendentemente, quando colocadas juntas, as duas bolhas de tecido cerebral humano se fundiram em um par funcional, estabelecendo automaticamente estradas neurais que resultaram em uma das mais sofisticadas recapitulações de um cérebro humano. Pasca coroou esse crème-de-la-crème "assembloids", uma valise entre "montar" e "organoides".


“Demonstramos que os esferóides cerebrais regionalizados podem ser colocados juntos para formar estruturas fundidas chamadas assemblóides cerebrais”, disse Pasca na época ”. [Eles] podem então ser usados ​​para investigar processos de desenvolvimento que antes eram inacessíveis. ”

E se isso é possível para conectar um cérebro desenvolvido em laboratório, por que não funcionaria para circuitos neurais maiores?


Assembloids, Assemble

O novo estudo é a fruição dessa ideia.

A equipe começou com células da pele humana, retiradas de oito pessoas saudáveis ​​e as transformou em um estado semelhante a uma célula-tronco, chamado iPSCs. Essas células há muito são apontadas como a inovação para o tratamento médico personalizado, antes que cada uma reflita a composição genética de seu hospedeiro original.



Usando dois coquetéis separados, a equipe gerou minicérebros e minicordas espinhais usando esses iPSCs. Os dois componentes foram colocados juntos "em estreita proximidade" por três dias dentro de uma incubadora de laboratório, flutuando suavemente em torno um do outro em uma dança intrincada. Para a surpresa da equipe, sob o microscópio usando rastreadores que brilham no escuro, eles viram estradas de galhos que se estendiam de um organoide a outro como braços em um abraço apertado. Quando estimulados com eletricidade, os links dispararam, sugerindo que as conexões não eram apenas para exibição - são capazes de transmitir informações.


“Fizemos as peças”, disse Pasca, “mas eles sabiam como se montar.”

Então veio o ménage à trois. Uma vez que o minicéfalo e a medula espinhal formaram sua colher de sorvete de dois andares, a equipe os cobriu em uma camada de células musculares - cultivadas separadamente em uma estrutura muscular semelhante à humana. O resultado final foi um boneco de neve um tanto bizarro e de aparência boba, feito de três bolas esféricas de formato estranho.

Mesmo assim, contra todas as probabilidades, o conjunto cérebro-medula espinhal alcançou o músculo crescido em laboratório. Usando uma variedade de ferramentas, incluindo medição da contração muscular, a equipe descobriu que esse boneco de neve totalmente parecido com o de Frankenstein foi capaz de fazer o componente muscular se contrair - de uma forma semelhante a como nossos músculos se contraem quando necessário.


“O músculo esquelético geralmente não se contrai por conta própria”, disse Pasca. “Ver aquela primeira contração muscular em uma placa de laboratório imediatamente após a estimulação cortical é algo que não será esquecido logo.”

Quando testada para longevidade, a engenhoca durou até 10 semanas sem qualquer tipo de avaria. Longe de ser uma maravilha instantânea, o circuito isolado funcionou ainda melhor quanto mais tempo cada componente permaneceu conectado.

Pasca não é o primeiro a dar aos mini-cérebros um canal de saída. No ano passado , a rainha dos organóides cerebrais, Lancaster, cortou minicérebros maduros em fatias, que foram ligadas ao tecido muscular por meio de uma medula espinhal cultivada. Os assembloids são um passo à frente, mostrando que é possível costurar automaticamente várias estruturas ligadas aos nervos, como cérebro e músculo, sem cortes.


A questão é o que acontece quando esses assemblóides se tornam mais sofisticados, chegando cada vez mais perto da fiação inerente que alimenta nossos movimentos. O estudo de Pasca visa resultados, mas e quanto aos insumos? Podemos conectar canais de entrada, como células retinais, a minicérebros que possuem um córtex visual rudimentar para processar esses exemplos? Afinal, o aprendizado depende de exemplos de nosso mundo, que são processados ​​dentro de circuitos computacionais e fornecidos como saídas - potencialmente, contrações musculares.

Para ser claro, poucos argumentariam que os minicérebros de hoje são capazes de qualquer tipo de consciência ou percepção. Mas à medida que os minicérebros ficam cada vez mais sofisticados, em que ponto podemos considerá-los uma espécie de IA, capaz de computação ou mesmo algo que imita o pensamento? Ainda não temos uma resposta - mas os debates continuam.


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