Innholdsfortegnelse:

Hvordan forskere studerer den menneskelige hjernen isolert fra kroppen
Hvordan forskere studerer den menneskelige hjernen isolert fra kroppen
Anonim

Hvordan forskere lager modeller av den menneskelige hjernen og hvilke etiske spørsmål slik forskning reiser.

Hvordan forskere studerer den menneskelige hjernen isolert fra kroppen
Hvordan forskere studerer den menneskelige hjernen isolert fra kroppen

Tidsskriftet Nature publiserte The ethics of experimenting with human brain tissue, et samlebrev fra 17 ledende nevrovitenskapsmenn i verden, der forskere diskuterte fremskritt i utviklingen av menneskelige hjernemodeller. Frykten til spesialister er som følger: sannsynligvis i nær fremtid vil modellene bli så avanserte at de vil begynne å reprodusere ikke bare strukturen, men også funksjonene til den menneskelige hjernen.

Er det mulig å lage "i et reagensrør" et stykke nervevev som har bevissthet? Forskere kjenner strukturen til dyrs hjerne i minste detalj, men har fortsatt ikke funnet ut hvilke strukturer som "koder" bevissthet og hvordan man kan måle dens tilstedeværelse, hvis vi snakker om en isolert hjerne eller dens likhet.

Hjerne i akvariet

"Se for deg å våkne opp i et isolert sensorisk deprivasjonskammer - det er ikke noe lys, ingen lyd, ingen ytre stimuli rundt. Bare din bevissthet, hengende i tomrommet."

Det er bildet av etikere som kommenterer en uttalelse fra Yale University nevroforsker Nenad Sestan om at teamet hans var i stand til å holde en isolert grisehjerne i live i 36 timer.

Forskerne holder grisehjerner i live utenfor kroppsrapporten om et vellykket eksperiment som ble laget på et møte i den etiske komiteen til US National Institutes of Health i slutten av mars i år. Ved å bruke et oppvarmet pumpesystem kalt BrainEx og en syntetisk bloderstatning, opprettholdt forskerne væskesirkulasjonen og oksygentilførselen til de isolerte hjernene til hundrevis av dyr drept i et slakteri et par timer før eksperimentet, sa han.

Organene forble i live, å dømme etter utholdenheten til aktiviteten til milliarder av individuelle nevroner. Forskere kan imidlertid ikke si om grisehjernene plassert i "akvariet" beholdt tegn på bevissthet. Fraværet av elektrisk aktivitet, testet på en standardisert måte ved hjelp av et elektroencefalogram, overbeviste Sestan om at "denne hjernen ikke er bekymret for noe." Det er mulig at den isolerte hjernen til dyret var i koma, noe som spesielt kunne forenkles av at komponentene i løsningen vasket den.

Forfatterne avslører ikke detaljene i eksperimentet - de forbereder en publikasjon i et vitenskapelig tidsskrift. Likevel vakte til og med Sestans detaljerte rapport stor interesse og mye spekulasjoner om videreutviklingen av teknologien. Det ser ut til at å bevare hjernen ikke er mye mer teknisk vanskelig enn å bevare et hvilket som helst annet organ for transplantasjon, for eksempel hjertet eller nyrene.

Dette betyr at det teoretisk sett er mulig å bevare den menneskelige hjernen i en mer eller mindre naturlig tilstand.

Isolerte hjerner kan være en god modell, for eksempel for å forske på narkotika: Tross alt gjelder eksisterende reguleringsrestriksjoner for levende mennesker, og ikke for individuelle organer. Men fra et etisk synspunkt dukker det opp mange spørsmål her. Selv spørsmålet om hjernedød forblir en "gråsone" for forskere - til tross for at det finnes formelle medisinske kriterier, er det en rekke lignende forhold, hvorfra det fortsatt er mulig å gå tilbake til normal livsaktivitet. Hva kan vi si om situasjonen når vi hevder at hjernen forblir i live. Hva om hjernen, isolert fra kroppen, fortsetter å beholde noen eller alle personlighetstrekkene? Da er det fullt mulig å forestille seg situasjonen beskrevet i begynnelsen av artikkelen.

Bilde
Bilde

Der bevisstheten lurer

Til tross for det faktum at det frem til 80-tallet av 1900-tallet var tilhengere av teorien om dualisme, som skiller sjelen fra kroppen, blant forskere, i vår tid er til og med filosofer som studerer psyken enige om at alt vi kaller bevissthet er generert av den materielle hjernen (historie Spørsmålet kan leses mer detaljert, for eksempel i dette kapittelet Where is Consciousness: History of the Issue and Prospects of Search fra boken til nobelprisvinneren Eric Kandel "In Search of Memory").

Dessuten, med moderne teknikker som funksjonell magnetisk resonansavbildning, kan forskere spore hvilke områder av hjernen som aktiveres under spesifikke mentale øvelser. Ikke desto mindre er begrepet bevissthet som helhet for flyktig, og forskerne er fortsatt ikke enige om hvorvidt det er kodet av et sett med prosesser som skjer i hjernen, eller om visse nevrale korrelater er ansvarlige for det.

Som Kandel sier i sin bok, hos pasienter med kirurgisk separerte hjernehalvdeler, er bevisstheten delt i to, som hver oppfatter et uavhengig bilde av verden.

Disse og lignende tilfeller fra nevrokirurgisk praksis indikerer i det minste at for eksistensen av bevissthet er integriteten til hjernen som en symmetrisk struktur nødvendig. Noen forskere, inkludert oppdageren av strukturen til DNA Francis Crick, som på slutten av livet ble interessert i nevrovitenskap, tror at bevissthetens tilstedeværelse bestemmes av spesifikke strukturer i hjernen.

Kanskje dette er visse nevrale kretsløp, eller kanskje poenget er i hjelpecellene i hjernen - astrocytter, som hos mennesker, sammenlignet med andre dyr, er ganske høyt spesialiserte. På en eller annen måte har forskere allerede nådd poenget med å modellere individuelle strukturer i den menneskelige hjernen in vitro ("in vitro") eller til og med in vivo (som en del av hjernen til dyr).

Våkn opp i en bioreaktor

Det er ikke kjent hvor snart det kommer til eksperimenter på hele hjerner hentet fra menneskekroppen – for det første må nevrovitenskapsmenn og etikere bli enige om spillereglene. Ikke desto mindre, i laboratorier i petriskåler og bioreaktorer, vokser fremveksten av tredimensjonale menneskelige hjernekulturer allerede "minihjerner" som etterligner strukturen til den "store" menneskelige hjernen eller dens spesifikke deler.

Bilde
Bilde

I prosessen med utviklingen av embryoet dannes dets organer opp til visse stadier i henhold til et program som er iboende i genene i henhold til prinsippet om selvorganisering. Nervesystemet er intet unntak. Forskerne fant at hvis differensiering til celler i nervevevet induseres i stamcellekultur ved hjelp av visse stoffer, fører dette til spontane omorganiseringer i cellekultur, lik de som oppstår under morfogenese av det embryonale nevralrøret.

Stamceller indusert på denne måten "som standard" differensierer til slutt til nevroner i hjernebarken, men ved å legge til signalmolekyler utenfra til en petriskål, for eksempel celler i mellomhjernen, striatum eller ryggmargen kan oppnås. Det viste seg at en iboende mekanisme for kortikogenese fra embryonale stamceller kan dyrkes i en tallerken, en ekte cortex, akkurat som i hjernen, bestående av flere lag med nevroner og inneholder hjelpeastrocytter.

Det er tydelig at todimensjonale kulturer representerer en svært forenklet modell. Det selvorganiserende prinsippet for nervevev hjalp forskere raskt med å flytte til tredimensjonale strukturer kalt sfæroider og cerebrale organeller. Prosessen med vevsorganisering kan påvirkes av endringer i initiale forhold, slik som initial kulturtetthet og celleheterogenitet, og av eksogene faktorer. Ved å modulere aktiviteten til visse signalkaskader, er det til og med mulig å oppnå dannelsen av avanserte strukturer i organoiden, slik som den optiske koppen med retinale epitel, som reagerer cellemangfold og nettverksdynamikk i lysfølsomme menneskelige hjerneorganoider til lys.

Bilde
Bilde

Bruken av et spesielt kar og behandling med vekstfaktorer gjorde det mulig for forskere målrettet å oppnå modellering av menneskelig kortikal utvikling in vitro ved bruk av induserte pluripotente stamceller - en menneskelig cerebral organoid som tilsvarer forhjernen (hemisfærer) med en cortex, hvis utvikling, å dømme etter uttrykket av gener og markører, tilsvarte første trimester av fosterutvikling …

Og forskere fra Stanford, ledet av Sergiu Pasca, har utviklet funksjonelle kortikale nevroner og astrocytter fra menneskelige pluripotente stamceller i 3D-kultur, en måte å vokse klumper som etterligner forhjernen rett i en petriskål. Størrelsen på slike "hjerner" er omtrent 4 millimeter, men etter 9-10 måneders modning tilsvarer kortikale nevroner og astrocytter i denne strukturen det postnatale utviklingsnivået, det vil si utviklingsnivået til babyen umiddelbart etter fødselen.

Det er viktig at stamceller for å dyrke slike strukturer kan tas fra spesifikke mennesker, for eksempel fra pasienter med genetisk betingede sykdommer i nervesystemet. Og fremskrittene innen genteknologi antyder at forskere snart vil kunne observere in vitro utviklingen av hjernen til en neandertaler eller denisovan.

I 2013 publiserte forskere fra Institute for Molecular Biotechnology ved det østerrikske vitenskapsakademiet en artikkel Cerebral organoids model human brain development and microcephaly, som beskrev dyrkingen av en "miniatyrhjerne" fra to typer stamceller i en bioreaktor, som etterligner strukturen til hele menneskehjernen.

Ulike soner i organoiden tilsvarte forskjellige deler av hjernen: bakre, midtre og fremre, og "forhjernen" viste til og med ytterligere differensiering til lapper ("hemisfærer"). Viktigere, i denne minihjernen, som heller ikke oversteg noen få millimeter i størrelse, observerte forskere tegn på aktivitet, spesielt svingninger i konsentrasjonen av kalsium inne i nevroner, som tjener som en indikator på deres eksitasjon (du kan lese i detalj om dette eksperimentet her).

Målet til forskerne var ikke bare å reprodusere utviklingen av hjernen in vitro, men også å studere de molekylære prosessene som fører til mikrocefali - en utviklingsavvik som oppstår, spesielt når et embryo er infisert med Zika-viruset. For dette har forfatterne av arbeidet dyrket den samme minihjernen fra cellene til pasienten.

Bilde
Bilde

Til tross for de imponerende resultatene, var forskerne overbevist om at slike organeller ikke var i stand til å realisere noe. For det første inneholder den virkelige hjernen rundt 80 milliarder nevroner, og den dyrkede organoiden inneholder flere størrelsesordener mindre. Dermed er en minihjerne rett og slett ikke fysisk i stand til å fullt ut utføre funksjonene til en ekte hjerne.

For det andre, på grunn av særegenhetene ved utvikling "in vitro", var noen av dens strukturer plassert ganske kaotisk og dannet ukorrekte, ikke-fysiologiske forbindelser med hverandre. Hvis minihjernen trodde noe, var det helt klart noe uvanlig for oss.

For å løse problemet med samspillet mellom avdelinger, har nevrovitenskapsmenn foreslått å modellere hjernen på et nytt nivå, som kalles "assembloids". For deres dannelse dyrkes organeller først separat, tilsvarende individuelle deler av hjernen, og deretter slås de sammen.

Denne tilnærmingen forskerne brukte forsamlingen av funksjonelt integrerte menneskelige forhjernesfæroider for å studere hvordan de såkalte interneuronene, som vises etter dannelsen av hoveddelen av nevronene ved migrasjon fra den tilstøtende forhjernen, er inkorporert i cortex. Assembloider hentet fra to typer nervevev har gjort det mulig å studere forstyrrelser i migrasjonen av interneuroner hos pasienter med epilepsi og autisme.

Våkn opp i en annens kropp

Selv med alle forbedringene, er hjerne-i-et-rør-evnen sterkt begrenset av tre grunnleggende forhold. For det første har de ikke et vaskulært system som lar dem levere oksygen og næringsstoffer til deres indre strukturer. Av denne grunn er størrelsen på minihjerner begrenset av molekylers evne til å diffundere gjennom vev. For det andre har de ikke et immunsystem, representert av mikrogliaceller: normalt migrerer disse cellene til sentralnervesystemet fra utsiden. For det tredje har ikke en struktur som vokser i løsning et spesifikt mikromiljø gitt av kroppen, noe som begrenser antallet signalmolekyler som når det. Løsningen på disse problemene kan være å lage modelldyr med kimæriske hjerner.

Det nylige arbeidet En in vivo-modell av funksjonelle og vaskulariserte menneskelige hjerneorganoider av amerikanske forskere fra Salk Institute under ledelse av Fred Gage beskriver integreringen av en menneskelig cerebral organell (det vil si en minihjerne) i hjernen til en mus. For å gjøre dette, satte forskerne først genet for et grønt fluorescerende protein inn i DNAet til stamceller, slik at skjebnen til det utviklende nervevevet kunne observeres ved hjelp av mikroskopi. Organoider ble dyrket fra disse cellene i 40 dager, som deretter ble implantert i et hulrom i retrosplenal cortex til en immundefekt mus. Tre måneder senere, hos 80 prosent av dyrene, slo implantatet rot.

De kimære hjernene til musene ble analysert i åtte måneder. Det viste seg at organoiden, som lett kunne skilles ut ved luminescensen til et fluorescerende protein, vellykket integrert, dannet et forgrenet vaskulært nettverk, vokste aksoner og dannet synapser med nerveprosessene til vertshjernen. I tillegg har mikrogliaceller flyttet fra verten til implantatet. Til slutt bekreftet forskerne den funksjonelle aktiviteten til nevronene – de viste elektrisk aktivitet og svingninger i kalsium. Dermed kom den menneskelige "minihjernen" helt inn i sammensetningen av musehjernen.

Bilde
Bilde

Overraskende nok påvirket ikke integreringen av et stykke menneskelig nervevev oppførselen til eksperimentelle mus. I en test for romlig læring presterte mus med kimæriske hjerner det samme som vanlige mus, og hadde til og med dårligere hukommelse – forskerne forklarte dette med at de for implantasjon laget et hull i hjernebarken.

Ikke desto mindre var målet med dette arbeidet ikke å skaffe en intelligent mus med en menneskelig bevissthet, men å lage en in vivo-modell av menneskelige hjerneorganeller utstyrt med et vaskulært nettverk og mikromiljø for ulike biomedisinske formål.

Et eksperiment av en helt annen type ble iscenesatt av Forebrain-engraftment av humane glia-progenitorceller forbedrer synaptisk plastisitet og læring hos voksne mus av forskere ved Center for Translational Neuromedicine ved University of Rochester i 2013. Som nevnt tidligere er menneskelige hjelpehjerneceller (astrocytter) svært forskjellige fra andre dyr, spesielt mus. Av denne grunn foreslår forskere at astrocytter spiller en viktig rolle i utvikling og vedlikehold av menneskelige hjernefunksjoner. For å teste hvordan en kimær musehjerne ville utvikle seg med menneskelige astrocytter, plantet forskerne hjelpecelleforløpere i hjernen til museembryoer.

Det viste seg at i en kimær hjerne fungerer menneskelige astrocytter tre ganger raskere enn mus. Dessuten viste mus med kimæriske hjerner seg å være betydelig smartere enn vanlig på mange måter. De var raskere til å tenke, lære bedre og navigere i labyrinten. Sannsynligvis tenkte ikke kimære mus som mennesker, men kanskje de kunne føle seg på et annet stadium av evolusjonen.

Imidlertid er gnagere langt fra ideelle modeller for å studere den menneskelige hjernen. Faktum er at menneskelig nervevev modnes i henhold til en intern molekylær klokke, og overføringen til en annen organisme akselererer ikke denne prosessen. Tatt i betraktning at mus lever bare to år, og den fulle dannelsen av en menneskelig hjerne tar et par tiår, kan ingen langsiktige prosesser i formatet av en kimærisk hjerne studeres. Kanskje fremtiden for nevrovitenskap fortsatt tilhører menneskelige hjerner i akvarier - for å finne ut hvor etisk det er, trenger forskere bare å lære å lese tanker, og moderne teknologi ser ut til å kunne gjøre dette snart.

Anbefalt: