눈사람 모양의 3D 인체 조직 덩어리가 누군가의 하루를 만드는 경우는 드물다. 그러나 스탠포드대학의 Sergiu Pasca 박사가 작은 움직임을 목격했을 때, 그는 그의 실험실이 특별한 것을 성취했다는 것을 알았다. 보시다시피, 얼룩은 실험실에서 자란 세 개의 인간 조직 덩어리에서 진화했다. 미니 뇌, 미니 척수, 미니 근육이다. 버블링 인큐베이터 내부에서 으스스한 인간형으로 완성된 각 개별 구성 요소는 이미 과학 천재의 작품이다. 그러나 Pasca는 영양소 수프에 세 가지 구성 요소를 함께 담그는 추가 단계를 취했다.

 

그 결과 우리가 움직이기로 결정한 기본 회로를 복제한 기괴하고 레고와 같은 인간 조직이 탄생했다. 외부 자극없이 아이스크림처럼 함께 휘저으면 세 가지 성분이 물리적으로 완전한 기능 회로로 연결된다. 인공 척수에 의해 형성된 정보 고속도로를 통해 3D 미니 뇌는 실험실에서 자란 근육을 필요에 따라 경련시킬 수 있었다.

 

즉, 공식적으로 뇌 오가노이드로 알려진 고립된 미니 뇌가 항아리에 떠 다니는 것이 소름 끼치는 일이라고 생각한다면 악몽을 업그레이드하라. 뇌를 탐색하는 데 있어 다음으로 중요한 것은 이제 뇌 조직과 외부 출력을 결합하는 자유 부동 뇌 회로인 집합체이다.

 

최종 목표는 사람들을 놀라게 하는 것이 아니다. 오히려 그것은 페트리 접시의 통제된 환경 안에서 입력에서 출력까지 우리의 신경계를 요약하는 것이다. 자율적이고 살아있는 뇌-척수-근육 독립체는 우리 자신의 두뇌가 우리가 똑바로 걷거나 키보드로 타자를 치는 복잡한 근육 움직임을 어떻게 지시하는지 알아내는 데 매우 귀중한 모델이다.

 

이는 보다 손재주 있는 뇌-기계 인터페이스를 향한 연결 고리이자 뇌-근육 연결이 실패할 때를 이해하는 모델이다. 루게릭병이나 파킨슨 병과 같은 끔찍한 상황에서 사람들이 근육 기능을 제어하는 뉴런의 점진적인 죽음으로 인해 천천히 근육 제어를 잃게된다. 어셈블로이드는 일종의 "미니-미"로, 사람이 아닌 사람의 단순한 "복제본"에 대한 잠재적인 치료법을 테스트하기위한 해결 방법이다.

 

 

 

오르가노이드에서 어셈블리로

 

인간 신경계의 작은 조각은 오랫동안 만들어져 왔다. 이 모든 것은 2014년 스탠포드의 박사후 연구원인 Madeleine Lancaster 박사가 소용돌이 치는 인큐베이터 내부에서 놀랍도록 복잡한 인간 뇌 조직의 3D 복제물을 키웠을 때 시작되었다.

 

뇌 조직을 분쇄하여 세포의 편평한 네트워크로 재구성하는 표준 세포 배양과 혁명적으로 다른 Lancaster의 3D 뇌 오르가노이드는 발달 과정에서 인간의 뇌를 재현하는 면에서 놀랍도록 정교했다. 후속 연구는 뉴런 유형뿐만 아니라 연결 및 구조 측면에서도 태아의 발달중인 뇌와 유사성을 더욱 확고히 했다.

 

이 미니 뇌가 전기적 활동을 촉발시킨 결과 생명윤리학자들은 인간의 뇌 조직의 덩어리(최대 완두콩 크기보다 크지 않음)가 더 성숙하고 외부 입력 및 출력을 통해 인식을 개발할 잠재력을 가질 수 있다는 적신호를 점점 더 많이 제기했다.

 

이러한 우려에도 불구하고 뇌 오르가노이드는 즉각적인 히트를 기록했다. 그들은 인간 조직으로 만들어져 있기 때문에(종종 실제 인간 환자에게서 채취하여 줄기세포와 같은 상태로 전환됨) 오르가노이드는 기증자와 동일한 유전적 구성을 가지고 있다. 이를 통해 자폐증, 조현병 또는 기타 뇌 질환과 같은 복잡한 상태를 접시에 담을 수 있다. 뿐만 아니라 실험실에서 자라기 때문에 미니 뇌를 유전적으로 편집하여 치료제를 찾기 위해 잠재적인 유전적 범인을 테스트할 수 있다.

 

그러나 미니 뇌에는 아킬레스건이 있었다. 모두가 똑같이 만들어지지는 않았다. 오히려 역 공학 된 뇌의 영역에 따라 세포는 화학 수프의 다른 칵테일에 의해 설득되고 격리 상태로 유지되어야 했다. 영역이 신경망의 고속도로를 통해 연결되고 동시에 작동하는 우리 자신의 발달중인 두뇌와는 완전히 대조적이었다.

 

Pasca는 문제에 정면으로 직면했다. 뇌의 자체 조립 능력에 베팅한 그의 팀은 서로 다른 뇌 영역을 반영하는 서로 다른 미니 뇌를 성장시키고 정보를 처리하기 위해 동기화 된 뉴런 회로 밴드로 융합하게 할 수 있다는 가설을 세웠다. 작년에 그의 아이디어는 성공했다.

 

하나의 놀라운 연구에서 그의 팀은 뇌의 두 부분을 덩어리로 성장시켰는데, 하나는 피질을 나타내고 다른 하나는 보상과 움직임을 제어하는 ​​것으로 알려진 뇌의 더 깊은 부분인 선조체라고 한다. 놀랍게도, 인간 뇌 조직의 두 덩어리가 기능적 커플로 융합되어 자동으로 신경 고속도로를 구축하여 인간 뇌의 가장 정교한 요약 중 하나를 만든다. Pasca는 "조립"과 "오르가노이드"사이의 상징인 이 조직 공학 크림 드 라 크림 "어셈블리"로 선정되었다.

 

Pasca는“우리는 지역화 된 뇌 스페로이드가 함께 결합되어 뇌 어셈블 로이드라고하는 융합 구조를 형성할 수 있음을 입증했다.”라고 말했다. 그런 다음 이전에는 접근할 수 없었던 발달 과정을 조사하는 데 사용할 수 있다.” 실험실에서 성장한 뇌를 연결하는 것이 가능하다면 왜 더 큰 신경 회로에서는 작동하지 않을까?

 

 

 

어셈블로이드 조립

 

새로운 연구는 그 아이디어의 결실이다. 팀은 인간의 피부 세포로 시작하여 8명의 건강한 사람을 긁어내어 iPSC라고하는 줄기세포와 같은 상태로 변형시켰다. 이 세포들은 각각 원래 숙주의 유전적 구성을 반영하기 전에 개인화 된 의료 치료의 돌파구로 오랫동안 선전되어 왔다.

 

두 개의 개별 칵테일을 사용하여 팀은 이러한 iPSC를 사용하여 미니 뇌와 미니 척수를 생성했다. 두 구성 요소는 실험실 인큐베이터 내부에서 3일 동안 "가까이"함께 배치되어 복잡한 춤을 추며 서로 주위를 부드럽게 떠 다닌다. 놀랍게도, 어둠 속에서 빛을 발하는 추적자를 사용하는 현미경 아래에서 그들은 꽉 껴안은 팔처럼 한 오르가노이드에서 다른 오르가노이드로 뻗어 있는 가지의 고속도로를 보았다. 전기로 자극을 받으면 링크가 작동하여 연결이 단지 보여주기 위한 것이 아니라 정보를 전송할 수 있음을 나타낸다.

 

Pasca는 "우리는 부품을 만들었지만 조립 방법을 알고 있었다."라고 말했다.

 

그런 다음 ménage à trois가 왔다. 미니 뇌와 척수가 2층 아이스크림 스쿠프를 형성한 후, 팀은 근육 세포 층에 이들을 겹쳐서 인간과 같은 근육 구조로 개별적으로 배양했다. 최종 결과는 3개의 이상한 모양의 구형 공으로 만든 다소 기괴하고 어리석은 눈사람이었다.

 

그러나 모든 가능성과는 달리 뇌척수 어셈블리는 실험실에서 자란 근육에 도달했다. 근육 수축 측정을 포함한 다양한 도구를 사용하여 팀은 완전히 프랑켄슈타인과 같은 눈사람이 필요할 때 근육이 떨리는 방식과 비슷한 방식으로 근육 구성 요소를 수축시킬 수 있음을 발견했다. "골격 근육은 일반적으로 저절로 수축하지 않는다."라고 Pasca가 말했다. "피질 자극 직후 실험실 접시에서 첫 번째 경련을 보는 것은 곧 잊혀지지 않는 일이다."

 

수명을 테스트했을 때 장치는 어떤 종류의 고장도 없이 최대 10주 동안 지속되었다. 원샷과는 거리가 먼 절연 회로는 각 구성 요소가 더 오래 연결될수록 더 잘 작동했다.

 

Pasca가 처음으로 미니 브레인에 출력 채널을 제공한 것은 아니다. 작년에 뇌 오르가노이드의 여왕인 Lancaster는 성숙한 미니 뇌를 조각으로 잘게 썰어 배양된 척수를 통해 근육조직에 연결했다. 어셈블로이드는 한 단계 더 발전하여 뇌와 근육, 산 슬라이싱과 같은 여러 신경 연결 구조를 자동으로 함께 재봉할 수 있음을 보여준다.

 

문제는 이러한 어셈블로이드가 더욱 정교해져서 우리의 움직임에 동력을 제공하는 고유한 배선에 더욱 가까워지면 어떻게되는지이다. Pasca의 연구는 산출물을 목표로 하지만 투입물은 어떨까? 망막 세포와 같은 입력 채널을 초보적인 시각 피질을 가진 미니 뇌에 연결하여 이러한 예를 처리할 수 ​​있을까? 결국 학습은 계산 회로 내에서 처리되고 출력으로 전달되는 우리 세계의 예에 의존합니다. 잠재적으로 근육 수축이다.

 

분명히 말하면 오늘날의 소형 뇌가 어떤 종류의 의식이나 인식을 할 수 있다고 주장하는 사람은 거의 없다. 그러나 미니 뇌가 점점 더 정교 해짐에 따라 우리는 어느 시점에서 그것들을 계산할 수 있거나 심지어 생각을 모방할 수 있는 일종의 AI라고 생각할 수 있을까? 아직 답은 없지만 논쟁은 계속되고 있다.