Om te groeien heeft het embryonale brein geen bouwplan nodig; het organiseert zichzelf. In 2013 zijn wetenschappers erin geslaagd de eerste weken van dat proces na te bootsen in het lab. Hun onderzoek laat zien hoe lichaamscellen in een schaaltje kunnen uitgroeien tot een breinachtig orgaantje. 

Om een minibrein te kweken ga je als volgt te werk. Men neme: enkele lichaamscellen bijvoorbeeld van de huid, een bioreactor, voedingsstoffen en speciale ondersteuningsgel. Eerst laat je de cellen denken dat ze embryonale stamcellen zijn, dit zijn cellen die zich nog kunnen specialiseren tot een bepaald type cel, waaronder zenuwcellen bijvoorbeeld. Dit doe je door een specifiek stukje DNA van deze cellen te activeren. Vervolgens dien je groeifactoren (bijvoorbeeld bepaalde eiwitten) toe die de ontwikkeling van hersenweefsel bevorderen. En voilá: de cellen specialiseren zich tot neuroectoderm weefsel dat in een embryo uiteindelijk uitgroeit en zich ontwikkelt tot het centrale zenuwstelsel.

Vergrootglas
De volgende stap is om door middel van de ondersteuningsgel het ectoderm te helpen zich tot een ruimtelijke structuur te ontwikkelen. Laat het geheel nog even draaien in de bioreactor en na ongeveer een maand heeft zich een piepklein breintje gevormd. Je hebt wel een vergrootglas nodig om het resultaat goed te kunnen zien, want groter dan 2 tot 3 millimeter wordt het niet.

Het onderzoeksteam uit Oostenrijk en het Verenigd Koninkrijk gebruikte eiwitten met fluorescerende eigenschappen om zichtbaar te maken welke celtypen zich waar hadden gevormd. Hoe minuscuul ook; het minibreintje was al begonnen met het vormen van afzonderlijke hersengebieden zoals de cortex, iets wat lijkt op een hippocampus en in sommige gevallen ook netvliesweefsel. De cortex vertoonde daarnaast ook al een eerste onderscheid in lagen en er was een aanzet te zien tot de vorming van de verschillende kwabben.

De hersenorganisatie vertoonde bovendien een aantal typisch menselijke trekjes zoals de relatief sterke ontwikkeling van cortex weefsel en deze in glas gemaakte hersentjes bleken zelfs te functioneren. Althans, de onderzoekers zagen dat de neuronen door hun uitlopers elektrische stroompjes stuurden waarmee ze konden communiceren met hun buren.

Pong
Dat was de stand van zaken in 2013. Eind 2022 is er een grote stap voorwaarts gedaan in de wereld van de neuronen op petrischaaltjes. Wetenschappers in Australië zijn erin geslaagd om een mini-breintje bestaand uit corticale muizenembryo cellen Pong te laten spelen. Voor als je het spel niet kent, lijkt het op Pingpong, je bestuurt een “batje” (een rechthoek) om een virtueel balletje tegen een muur terug te kaatsten. Wanneer je het kaatsende balletje mist, ben je af. 

Het mini-breintje in dit experiment bestond uit 800,000 cellen waarvan activiteit gereguleerd en gemeten kon worden via elektroden. Een deel van de neuronen was de sensorische regio, die de locatie van het balletje en het batje binnen kreeg. Het andere deel representeerde de motorische regio, die output kon geven om het batje te besturen. Het was een closed-loop systeem, waardoor het systeem direct feedback kreeg of hij het goed of fout deed. Iedere keer wanneer het mini-breintje het balletje miste, kreeg het random elektrische signalen binnen. Dit werd geïnterpreteerd als een soort straf door dit artificiële breintje. Het houdt er namelijk niet van om onvoorspelbare input te krijgen. Wanneer het erin slaagde het balletje te raken, kreeg het voorspelbare input (alle sensorische elektroden werden tegelijkertijd geactiveerd), wat geïnterpreteerd werd als een beloning. Binnen 5 minuten had het mini-breintje door wat de bedoeling was van het spel. 

Even ter nuance, Het groepje neuronen speelde pong niet op topniveau, maar wel boven kansniveau. Echter is dit wel de eerste keer dat cellen in een petrischaaltje doelgerichte taken volbrengen. Omdat dit tot voor kort als onmogelijk werd gehouden, heeft het tot veel discussie geleid in de wetenschap. Heeft dit groepje neuronen nu een vorm van bewustzijn? Wat voor ethische gevolgen zou dat hebben? En kan deze manier van leren implicaties hebben voor artificial intelligence? Wetenschappers en ethici zijn er nog niet over uit. We zijn benieuwd wat jij ervan vindt! 

Auteurs: Daan Schetselaar, Pauline Gils & Joyce Burger