Kako istraživači proučavaju ljudski mozak u izolaciji od tijela

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 03:49

Kako naučnici stvaraju modele ljudskog mozga i koja etička pitanja postavljaju takva istraživanja.

Časopis Nature objavio je Etiku eksperimentiranja s ljudskim moždanim tkivom, kolektivno pismo 17 vodećih neuronaučnika u svijetu, u kojem su naučnici raspravljali o napretku u razvoju modela ljudskog mozga. Strahovi stručnjaka su sljedeći: vjerojatno će u bliskoj budućnosti modeli postati toliko napredni da će početi reproducirati ne samo strukturu, već i funkcije ljudskog mozga.

Da li je moguće stvoriti "u epruveti" komad nervnog tkiva koji ima svijest? Znanstvenici poznaju strukturu mozga životinja do najsitnijih detalja, ali još uvijek nisu shvatili koje strukture "kodiraju" svijest i kako izmjeriti njeno prisustvo, ako je riječ o izoliranom mozgu ili njegovoj sličnosti.

Mozak u akvarijumu

“Zamislite da se probudite u izolovanoj komori senzorne deprivacije - nema svjetla, nema zvuka, nema vanjskih podražaja uokolo. Samo tvoja svijest, koja visi u praznini."

To je slika etičara koji komentarišu izjavu neuronaučnika sa Univerziteta Jejl Nenada Šestana da je njegov tim uspeo da održi izolovani svinjski mozak u životu 36 sati.

Istraživači održavaju svinjski mozak živim izvan tijela. Izvještaj o uspješnom eksperimentu napravljen je na sastanku Etičkog komiteta američkog Nacionalnog instituta za zdravlje krajem marta ove godine. Koristeći sistem zagrejane pumpe nazvan BrainEx i sintetičku zamenu za krv, istraživači su održavali cirkulaciju tečnosti i snabdevanje kiseonikom izolovanim mozgovima stotina životinja ubijenih u klaonici nekoliko sati pre eksperimenta, rekao je on.

Organi su ostali živi, sudeći po postojanosti aktivnosti milijardi pojedinačnih neurona. Međutim, naučnici ne mogu reći da li su svinjski mozgovi smješteni u "akvarij" zadržali znakove svijesti. Odsustvo električne aktivnosti, testirano na standardizovan način pomoću elektroencefalograma, uvjerilo je Šestana da "ovaj mozak ništa ne brine". Moguće je da je izolirani mozak životinje bio u komi, što bi, posebno, moglo biti olakšano komponentama otopine koje ga ispiru.

Autori ne otkrivaju detalje eksperimenta - pripremaju publikaciju u naučnom časopisu. Ipak, čak je i Šestanov izvještaj, siromašan detaljima, izazvao veliko interesovanje i mnogo spekulacija o daljem razvoju tehnologije. Čini se da očuvanje mozga tehnički nije mnogo teže od očuvanja bilo kojeg drugog organa za transplantaciju, poput srca ili bubrega.

To znači da je teoretski moguće očuvati ljudski mozak u manje-više prirodnom stanju.

Izolirani mozgovi mogu biti dobar model, na primjer, za istraživanje lijekova: na kraju krajeva, postojeća regulatorna ograničenja odnose se na žive ljude, a ne na pojedinačne organe. Međutim, s etičke tačke gledišta, ovdje se postavljaju mnoga pitanja. Čak i pitanje moždane smrti ostaje "siva zona" za istraživače - unatoč postojanju formalnih medicinskih kriterija, postoji niz sličnih stanja, iz kojih je povratak normalnoj životnoj aktivnosti još uvijek moguć. Šta reći o situaciji kada tvrdimo da mozak ostaje živ. Šta ako mozak, izolovan od tela, nastavi da zadržava neke ili sve osobine ličnosti? Tada je sasvim moguće zamisliti situaciju opisanu na početku članka.

Gdje vreba svijest

Uprkos činjenici da su sve do 80-ih godina 20. veka među naučnicima postojali pristalice teorije dualizma, koja odvaja dušu od tela, u naše vreme se čak i filozofi koji proučavaju psihu slažu da je sve što nazivamo svešću generisano. materijalnim mozgom (istorija Pitanje se može detaljnije pročitati, na primjer, u ovom poglavlju Gdje je svijest: Istorija problema i perspektive traganja iz knjige nobelovca Erica Kandela "U potrazi za pamćenjem").

Štaviše, sa modernim tehnikama kao što je funkcionalna magnetna rezonanca, naučnici mogu pratiti koja se područja mozga aktiviraju tokom određenih mentalnih vježbi. Ipak, koncept svijesti u cjelini je previše efemeran, a naučnici se još uvijek ne slažu oko toga da li je kodiran skupom procesa koji se odvijaju u mozgu ili su za to odgovorni određeni neuronski korelati.

Kao što Kandel kaže u svojoj knjizi, kod pacijenata sa hirurški odvojenim moždanim hemisferama, svest je podeljena na dve, od kojih svaka percipira nezavisnu sliku sveta.

Ovi i slični slučajevi iz neurohirurške prakse ukazuju barem da za postojanje svijesti nije potreban integritet mozga kao simetrične strukture. Neki naučnici, uključujući i otkrića strukture DNK Francisa Cricka, koji se na kraju života zainteresovao za neuronauku, vjeruju da je prisustvo svijesti određeno specifičnim strukturama u mozgu.

Možda su to određeni neuronski krugovi, ili je možda stvar u pomoćnim stanicama mozga - astrocitima, koji su kod ljudi, u odnosu na druge životinje, prilično visoko specijalizirani. Na ovaj ili onaj način, znanstvenici su već došli do točke modeliranja pojedinačnih struktura ljudskog mozga in vitro („in vitro“) ili čak in vivo (kao dio mozga životinja).

Probudite se u bioreaktoru

Ne zna se koliko će brzo doći do eksperimenata na cijelim mozgovima izvađenim iz ljudskog tijela – prvo, neuroznanstvenici i etičari moraju se složiti oko pravila igre. Ipak, u laboratorijama u Petrijevim posudama i bioreaktorima, uspon trodimenzionalnih kultura ljudskog mozga već rastu „mini-mozge“koji oponašaju strukturu „velikog“ljudskog mozga ili njegovih specifičnih dijelova.

U procesu razvoja embrija, njegovi organi se formiraju do određenih faza prema nekom programu svojstvenom genima prema principu samoorganizacije. Nervni sistem nije izuzetak. Istraživači su otkrili da ako se diferencijacija u ćelije nervnog tkiva indukuje u kulturi matičnih ćelija uz pomoć određenih supstanci, to dovodi do spontanih preuređivanja u ćelijskoj kulturi, sličnih onima koji se dešavaju tokom morfogeneze embrionalne neuralne cevi.

Matične ćelije inducirane na ovaj način "podrazumevano" se u konačnici diferenciraju u neurone moždane kore, međutim, dodavanjem signalnih molekula izvana u Petrijevu posudu, na primjer, mogu se dobiti stanice srednjeg mozga, strijatuma ili kičmene moždine. Pokazalo se da se intrinzični mehanizam kortikogeneze iz embrionalnih matičnih stanica može uzgajati u posudi, pravom korteksu, baš kao u mozgu, koji se sastoji od nekoliko slojeva neurona i koji sadrži pomoćne astrocite.

Jasno je da dvodimenzionalne kulture predstavljaju vrlo pojednostavljen model. Princip samoorganiziranja nervnog tkiva pomogao je naučnicima da brzo pređu na trodimenzionalne strukture zvane sferoidi i cerebralne organele. Na proces organizacije tkiva mogu uticati promene početnih uslova, kao što su početna gustina kulture i heterogenost ćelija, kao i egzogeni faktori. Modulacijom aktivnosti određenih signalnih kaskada moguće je čak postići formiranje naprednih struktura u organoidu, kao što je optička čašica sa epitelom retine, koja reaguje na ćelijsku raznolikost i dinamiku mreže u fotosenzitivnim organoidima ljudskog mozga.

Upotreba posebne posude i tretman faktorima rasta omogućili su naučnicima da namjerno dobiju Modeliranje ljudskog kortikalnog razvoja in vitro koristeći inducirane pluripotentne matične ćelije - ljudski cerebralni organoid koji odgovara prednjem mozgu (hemisfere) s korteksom, čiji je razvoj, sudeći po ekspresija gena i markera, odgovarala je prvom trimestru fetalnog razvoja…

Naučnici sa Stanforda, predvođeni Sergiuom Pascom, razvili su funkcionalne kortikalne neurone i astrocite iz ljudskih pluripotentnih matičnih ćelija u 3D kulturi, način da se uzgajaju nakupine koje oponašaju prednji mozak u Petrijevoj posudi. Veličina takvih "mozaga" je oko 4 milimetra, ali nakon 9-10 mjeseci sazrijevanja, kortikalni neuroni i astrociti u ovoj strukturi odgovaraju postnatalnom nivou razvoja, odnosno nivou razvoja bebe neposredno nakon rođenja.

Važno je da se matične ćelije za uzgoj takvih struktura mogu uzeti od određenih ljudi, na primjer, od pacijenata s genetski određenim bolestima nervnog sistema. A napredak u genetskom inženjeringu sugeriše da će naučnici uskoro moći da posmatraju in vitro razvoj mozga neandertalca ili denisovanca.

Istraživači sa Instituta za molekularnu biotehnologiju Austrijske akademije nauka objavili su 2013. godine članak Cerebralni organoidi modeliraju razvoj ljudskog mozga i mikrocefaliju, opisujući uzgoj "minijaturnog mozga" iz dvije vrste matičnih stanica u bioreaktoru, koji oponaša struktura cjelokupnog ljudskog mozga.

Različite zone organoida odgovarale su različitim dijelovima mozga: stražnjem, srednjem i prednjem, a "prednji mozak" je čak pokazao dalju diferencijaciju u režnjeve ("hemisfere"). Važno je da su u ovom mini-mozgu, koji također nije prelazio nekoliko milimetara, znanstvenici uočili znakove aktivnosti, posebno fluktuacije u koncentraciji kalcija unutar neurona, koji služe kao indikator njihove ekscitacije (možete pročitati detaljno o ovom eksperimentu ovdje).

Cilj naučnika nije bio samo reproducirati evoluciju mozga in vitro, već i proučavati molekularne procese koji dovode do mikrocefalije - razvojne abnormalnosti koja se javlja, posebno, kada je embrij zaražen virusom Zika. Za to su autori rada izrasli isti mini-mozak iz ćelija pacijenta.

Uprkos impresivnim rezultatima, naučnici su bili uvereni da takve organele nisu u stanju da realizuju bilo šta. Prvo, pravi mozak sadrži oko 80 milijardi neurona, a uzgojeni organoid sadrži nekoliko redova veličine manje. Dakle, mini-mozak jednostavno nije fizički sposoban u potpunosti obavljati funkcije pravog mozga.

Drugo, zbog posebnosti razvoja "in vitro", neke od njegovih struktura bile su locirane prilično haotično i formirale su netačne, nefiziološke veze jedna s drugom. Ako je mini-mozak išta mislio, očito je bilo nešto neobično za nas.

Kako bi riješili problem interakcije odjela, neuroznanstvenici su predložili modeliranje mozga na novom nivou, koji se naziva "assembloidi". Za njihovo formiranje, organele se prvo uzgajaju odvojeno, koje odgovaraju pojedinim dijelovima mozga, a zatim se spajaju.

Ovaj pristup naučnici su koristili skup funkcionalno integrisanih sferoida prednjeg ljudskog mozga da prouče kako se takozvani interneuroni, koji se pojavljuju nakon formiranja najvećeg dela neurona migracijom iz susednog prednjeg mozga, inkorporiraju u korteks. Asembloidi dobijeni iz dva tipa nervnog tkiva omogućili su proučavanje poremećaja u migraciji interneurona kod pacijenata sa epilepsijom i autizmom.

Probudite se u nečijem telu

Čak i uz sva poboljšanja, mogućnosti mozga u cijevi su ozbiljno ograničene trima temeljnim uvjetima. Prvo, nemaju vaskularni sistem koji im omogućava da isporučuju kiseonik i hranljive materije u svoje unutrašnje strukture. Iz tog razloga, veličina mini-mozaga je ograničena sposobnošću molekula da difundiraju kroz tkivo. Drugo, nemaju imuni sistem, predstavljen mikroglijalnim ćelijama: normalno ove ćelije migriraju u centralni nervni sistem izvana. Treće, struktura koja raste u rastvoru nema specifično mikrookruženje koje telo obezbeđuje, što ograničava broj signalnih molekula koji do nje dospevaju. Rješenje ovih problema moglo bi biti stvaranje modela životinja s himernim mozgom.

Nedavni rad In vivo model funkcionalnih i vaskulariziranih organoida ljudskog mozga američkih naučnika sa Salk instituta pod vodstvom Freda Gagea opisuje integraciju ljudske moždane organele (to jest, mini-mozak) u mozak miša.. Da bi to uradili, naučnici su prvo ubacili gen za zeleni fluorescentni protein u DNK matičnih ćelija kako bi se mikroskopski posmatrala sudbina nervnog tkiva u razvoju. Organoidi su uzgajani iz ovih ćelija 40 dana, a zatim su implantirani u šupljinu u retrosplenalnom korteksu imunodeficijentnog miša. Tri mjeseca kasnije, kod 80 posto životinja implantat se ukorijenio.

Himerični mozgovi miševa analizirani su osam mjeseci. Pokazalo se da se organoid, koji se lako može razlikovati po luminiscenciji fluorescentnog proteina, uspješno integrirao, formirao razgranatu vaskularnu mrežu, izrastao aksone i formirao sinapse s nervnim procesima mozga domaćina. Osim toga, ćelije mikroglije su se preselile od domaćina do implantata. Konačno, istraživači su potvrdili funkcionalnu aktivnost neurona – pokazali su električnu aktivnost i fluktuacije u kalcijumu. Tako je ljudski "mini-mozak" u potpunosti ušao u sastav mišjeg mozga.

Iznenađujuće, integracija komada ljudskog nervnog tkiva nije uticala na ponašanje eksperimentalnih miševa. U testu za prostorno učenje, miševi sa himernim mozgom radili su isto kao i normalni miševi, a imali su čak i lošiju memoriju - istraživači su to objasnili činjenicom da su za implantaciju napravili rupu u moždanoj kori.

Ipak, cilj ovog rada nije bio dobivanje inteligentnog miša s ljudskom sviješću, već stvaranje in vivo modela ljudskih cerebralnih organela opremljenih vaskularnom mrežom i mikrookruženjem za različite biomedicinske svrhe.

Eksperiment potpuno drugačije vrste su naučnici u Centru za translacionu neuromedicinu na Univerzitetu u Rochesteru 2013. godine izveli ugrađivanje prednjeg mozga od strane ljudskih glijalnih progenitor ćelija povećavajući sinaptičku plastičnost i učenje kod odraslih miševa. Kao što je ranije spomenuto, ljudske pomoćne moždane stanice (astrociti) su vrlo različite od onih drugih životinja, posebno miševa. Iz tog razloga, istraživači sugeriraju da astrociti igraju važnu ulogu u razvoju i održavanju funkcija ljudskog mozga. Kako bi testirali kako će se himerni mišji mozak razviti s ljudskim astrocitima, znanstvenici su posadili prekursore pomoćnih stanica u mozgove embriona miša.

Ispostavilo se da u himeričnom mozgu ljudski astrociti rade tri puta brže od miševa. Štoviše, miševi s himernim mozgom pokazali su se znatno pametnijima nego inače na mnogo načina. Oni su brže razmišljali, bolje učili i kretali se kroz lavirint. Vjerojatno himerni miševi nisu razmišljali kao ljudi, ali su se, možda, mogli osjećati u drugoj fazi evolucije.

Međutim, glodari su daleko od idealnih modela za proučavanje ljudskog mozga. Činjenica je da ljudsko nervno tkivo sazrijeva prema nekom unutrašnjem molekularnom satu, a njegovo prenošenje u drugi organizam ne ubrzava ovaj proces. S obzirom da miševi žive samo dvije godine, a potpuno formiranje ljudskog mozga traje nekoliko decenija, bilo kakvi dugotrajni procesi u formatu himernog mozga ne mogu se proučavati. Možda budućnost neuronauke i dalje pripada ljudskim mozgovima u akvarijima – da bi otkrili koliko je to etično, naučnici samo trebaju naučiti kako čitati misli, a čini se da će moderna tehnologija to uskoro moći.