Neural stem cells generate neurons in vitro which mimic their in vivo molecular identity and axon/dendrite morphology

Het brein is een uitgestrekt netwerk van gespecialiseerde cellen, genaamd neuronen, die elk een unieke vorm en een specifieke taak hebben. Sommige neuronen zien eruit als sterren met veel vertakkingen, terwijl andere lang en dun zijn en het lichaam oversteken om signalen te verzenden. Wetenschappers vragen zich al lang af hoe deze cellen weten welke vorm ze moeten aannemen. Is het omdat er instructies in de cel zelf geschreven staan, zoals een genetische blauwdruk? Of is het omdat er signalen zijn vanuit de buitenwereld, zoals een leraar die een student begeleidt? Om het antwoord te vinden, bestuderen onderzoekers meestal neuronen in levende dieren, waar het moeilijk is om te onderscheiden welke factor het werk doet. Ze bestuderen ook neuronen in glazen schalen, maar de meeste van deze experimenten beginnen met cellen die al gegroeid zijn en verbindingen hebben gevormd, wat het moeilijk maakt om te zien hoe ze eerst besluiten om een specifiek type cel te worden.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Oregon heeft een nieuwe manier ontwikkeld om dit proces vanaf het allereerste begin te zien gebeuren. Ze gebruikten fruitvliegjes, een gebruikelijk model voor het bestuderen van biologie, om neuronen in een schaal te laten groeien vanaf stamcellen, wat de grondstoffen zijn die uiteindelijk neuronen worden. Door deze stamcellen uit het embryo te verwijderen voordat ze enig contact hadden met de buitenwereld, creëerden de wetenschappers een situatie waarin de cellen volledig moesten vertrouwen op hun eigen interne instructies om te groeien. De onderzoekers ontdekten dat zelfs zonder de gebruikelijke omgevingssignalen, deze stamcellen succesvol transformeerden in volwassen neuronen. Deze nieuwe cellen groeiden niet alleen het juiste aantal vertakkingen, maar ontwikkelden ook de juiste moleculaire identiteit en behielden belangrijke aspecten van de fysieke vormen die ze zouden hebben gehad als ze in de levende vlieg waren gebleven. Dit suggereert dat de instructies voor het bouwen van een specifiek type neuron grotendeels in de cel zelf zijn opgeslagen, wachtend om geactiveerd te worden, hoewel de resulterende vormen geen perfecte replica zijn van die in de natuur.

De wetenschappers begonnen hun werk door fruitvliegembryo's te verzamelen op een zeer specifiek moment in hun ontwikkeling, net op het moment dat de stamcellen begonnen te delen. Ze verwijderden voorzichtig de buitenkant van de embryo's en braken ze uiteen in individuele cellen met behulp van een zacht chemisch proces. Deze cellen werden vervolgens in een speciaal vloeibaar medium geplaatst in een hangende druppel, een opstelling die de cellen zwevend en gezond houdt. De onderzoekers observeerden deze cellen gedurende een periode van twaalf uur, een periode die overeenkomt met de tijd die deze cellen nodig hebben om te rijpen binnen de vlieg. Ze zagen dat de stamcellen deelden en transformeerden in neuronen met dezelfde snelheid als ze dat in het lichaam doen. Binnen één uur begonnen de cellen kleine uitlopers te vormen, en na twaalf uur waren deze uitlopers uitgegroeid tot lange, dunne strengen, wat de natuurlijke groei van neuronen in een levend organisme nabootst.

Om er zeker van te zijn dat ze de juiste soorten cellen bestudeerden, gebruikten de onderzoekers een genetische truc om specifieke groepen neuronen met een groene gloed te laten oplichten. Ze richtten zich op een specifieke familie van neuronen die normaal gesproken in een bepaald patroon in de vlieg wordt gevormd. Wanneer ze de gloeiende cellen in hun schaal telden, vonden ze dat het aantal van deze specifieke neuronen overeenkwam met het aantal dat in levende vliegen wordt gevonden. Dit was een cruciale stap, die bewees dat de schaal niet zomaar willekeurige cellen kweekte, maar opgetreden de mix van celtypen uit de natuur getrouw nabootste. De onderzoekers controleerden ook of de cellen hun interne onderdelen correct sorteerden. Neuronen hebben twee hoofdtypen vertakkingen: axonen, die signalen verzenden, en dendrieten, die signalen ontvangen. Het team ontdekte dat de cellen in de schaal hun interne lading correct plaatsten, waarbij de juiste materialen naar de axonen werden gestuurd en de juiste materialen naar de dendrieten, precies zoals ze dat in een levend dier doen.

Misschien wel de meest opvallende ontdekking betrof een groep motorneuronen die spierbewegingen aansturen. In een levende vlieg komen deze neuronen in twee verschillende vormen voor: sommige hebben twee hoofdtakken, terwijl andere er slechts één hebben. De onderzoekers bekeken de motorneuronen die in hun schaal groeiden en vonden dat ze deze zelfde vormen aanhielden. De cellen die bestemd waren om twee vertakkingen te hebben, hadden twee vertakkingen, en de cellen die bedoeld waren om één vertakking te hebben, hadden er slechts één. Bovendien droegen deze cellen de juiste moleculaire markers, de chemische labels die hen identificeren als specifiefacte typen neuronen. Dit gebeurde zelfs terwijl de cellen nooit waren blootgesteld aan de complexe omgeving van het lichaam van de vlieg. De resultaten wijzen erop dat het blauwdruk voor de identiteit en vorm van een neuron in de cel zelf is ingebouwd, en dat de cel de buitenwereld niet nodig heeft om te vertellen wat hij moet worden, hoewel de uiteindelijke morfologie geen perfecte kopie is van de in vivo vorm.

Dit werk biedt een krachtig nieuw instrument voor wetenschappers om te bestuderen hoe het brein wordt opgebouwd. Door neuronen in een schaal te kweken waarbij de buitenwereld is verwijderd, kunnen onderzoekers nu de interne instructies isoleren die de ontwikkeling aansturen. De studie laat zien dat hoewel de omgeving belangrijk is voor veel zaken, het fundamentele plan voor de identiteit en structuur van een neuron van binnenuit komt. Deze bevinding helpt een langlopende vraag in de neurowetenschap te verhelderen: hoe weten cellen wie ze zijn? Het antwoord lijkt te zijn dat ze hun eigen kaart bij zich dragen, klaar om gevolgd te worden op het moment dat ze geboren worden.