Kako raziskovalci preučujejo človeške možgane v izolaciji od telesa

2024 Avtor: Malcolm Clapton | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 04:10

Kako znanstveniki ustvarjajo modele človeških možganov in kakšna etična vprašanja odpirajo takšne raziskave.

Revija Nature je objavila Etiko eksperimentiranja s človeškim možganskim tkivom, skupno pismo 17 vodilnih nevroznanstvenikov na svetu, v katerem so znanstveniki razpravljali o napredku pri razvoju modelov človeških možganov. Strahovi strokovnjakov so naslednji: verjetno bodo v bližnji prihodnosti modeli postali tako napredni, da bodo začeli reproducirati ne le strukturo, ampak tudi funkcije človeških možganov.

Ali je mogoče ustvariti "v epruveti" kos živčnega tkiva, ki ima zavest? Znanstveniki poznajo zgradbo možganov živali do najmanjših podrobnosti, vendar še vedno niso ugotovili, katere strukture "kodirajo" zavest in kako izmeriti njeno prisotnost, če govorimo o izoliranih možganih ali njihovi podobnosti.

Možgani v akvariju

»Predstavljajte si, da se zbudite v izolirani komori čutnega pomanjkanja - okoli ni svetlobe, zvoka, zunanjih dražljajev. Samo tvoja zavest, ki visi v praznini."

To je slika etikov, ki komentirajo izjavo nevroznanstvenika z univerze Yale Nenada Šestana, da je njegova ekipa uspela ohraniti izolirane prašičje možgane pri življenju 36 ur.

Raziskovalci ohranjajo prašičje možgane pri življenju zunaj telesa. Poročilo o uspešnem poskusu je bilo objavljeno na sestanku odbora za etiko pri Nacionalnem inštitutu za zdravje ZDA konec marca letos. Z uporabo ogrevanega sistema črpalke, imenovanega BrainEx, in sintetičnega krvnega nadomestka so raziskovalci vzdrževali kroženje tekočine in oskrbo s kisikom v izoliranih možganih na stotine živali, ubitih v klavnici nekaj ur pred poskusom, je dejal.

Organi so ostali živi, sodeč po vztrajnosti aktivnosti milijard posameznih nevronov. Vendar pa znanstveniki ne morejo reči, ali so prašičji možgani, nameščeni v "akvarij", ohranili znake zavesti. Odsotnost električne aktivnosti, testirana na standardiziran način z elektroencefalogramom, je prepričala Šestana, da »te možgane ne skrbi nič«. Možno je, da so bili izolirani možgani živali v komi, kar bi lahko olajšale zlasti sestavine raztopine, ki jih izpirajo.

Avtorji podrobnosti eksperimenta ne razkrivajo – pripravljajo objavo v znanstveni reviji. Kljub temu je tudi Šestanovo poročilo, ki je malo podrobnosti, vzbudilo veliko zanimanje in veliko špekulacij o nadaljnjem razvoju tehnologije. Zdi se, da ohranitev možganov tehnično ni veliko težja kot ohranitev katerega koli drugega organa za presaditev, kot sta srce ali ledvica.

To pomeni, da je teoretično mogoče ohraniti človeške možgane v bolj ali manj naravnem stanju.

Izolirani možgani bi lahko bili dober model, na primer za raziskovanje drog: navsezadnje obstoječe zakonske omejitve veljajo za žive ljudi in ne za posamezne organe. Z etičnega vidika pa se tu poraja veliko vprašanj. Tudi vprašanje možganske smrti ostaja "sivo območje" za raziskovalce - kljub obstoju formalnih medicinskih meril obstaja vrsta podobnih stanj, iz katerih je še vedno možen vrnitev v normalno življenjsko aktivnost. Kaj lahko rečemo o situaciji, ko trdimo, da možgani ostajajo živi. Kaj pa, če možgani, izolirani od telesa, še naprej ohranjajo nekatere ali vse osebnostne lastnosti? Potem si je povsem mogoče predstavljati situacijo, opisano na začetku članka.

Kjer se skriva zavest

Kljub temu, da so med znanstveniki do 80. let 20. stoletja obstajali zagovorniki teorije dualizma, ki ločuje dušo od telesa, se v našem času celo filozofi, ki preučujejo psiho, strinjajo, da je vse, kar imenujemo zavest, ustvarjeno. z materialnimi možgani (zgodovina Vprašanje si lahko podrobneje preberete, na primer v tem poglavju Kje je zavest: zgodovina vprašanja in možnosti iskanja iz knjige Nobelovega nagrajenca Erica Kandela "V iskanju spomina").

Še več, s sodobnimi tehnikami, kot je funkcionalno slikanje z magnetno resonanco, lahko znanstveniki spremljajo, katera področja možganov se aktivirajo med določenimi miselnimi vajami. Kljub temu je koncept zavesti kot celote preveč efemeren in znanstveniki se še vedno ne strinjajo, ali je zakodirana z nizom procesov, ki se dogajajo v možganih, ali pa so za to odgovorni določeni nevronski korelati.

Kot pravi Kandel v svoji knjigi, je pri bolnikih s kirurško ločenimi možganskimi hemisferami zavest razcepljena na dvoje, od katerih vsak zaznava samostojno sliko sveta.

Ti in podobni primeri iz nevrokirurške prakse kažejo vsaj na to, da za obstoj zavesti ni potrebna celovitost možganov kot simetrične strukture. Nekateri znanstveniki, med drugim odkritelj strukture DNK Francis Crick, ki se je ob koncu življenja začel zanimati za nevroznanost, menijo, da prisotnost zavesti določajo specifične strukture v možganih.

Morda so to določena nevronska vezja ali pa je stvar v pomožnih celicah možganov - astrocitih, ki so pri človeku v primerjavi z drugimi živalmi precej visoko specializirani. Tako ali drugače so znanstveniki že dosegli točko modeliranja posameznih struktur človeških možganov in vitro (»in vitro«) ali celo in vivo (kot del možganov živali).

Zbudi se v bioreaktorju

Ni znano, kako kmalu bo prišlo do poskusov na celih možganih, izvlečenih iz človeškega telesa – najprej se morajo nevroznanstveniki in etiki dogovoriti o pravilih igre. Kljub temu pa v laboratorijih v petrijevki in bioreaktorjih vzpon tridimenzionalnih kultur človeških možganov že rastejo "mini možgani", ki posnemajo strukturo "velikih" človeških možganov ali njihovih posebnih delov.

V procesu razvoja zarodka se njegovi organi oblikujejo do določenih stopenj po nekem programu, ki je lasten genom po načelu samoorganizacije. Živčni sistem ni izjema. Raziskovalci so ugotovili, da če v kulturi matičnih celic s pomočjo določenih substanc induciramo diferenciacijo v celice živčnega tkiva, to vodi do spontanih preureditev v celični kulturi, podobnih tistim, ki se pojavijo med morfogenezo embrionalne nevralne cevi.

Na ta način inducirane matične celice se "privzeto" diferencirajo na koncu v nevrone možganske skorje, vendar je z dodajanjem signalnih molekul od zunaj v petrijevko, na primer, mogoče pridobiti celice srednjih možganov, striatuma ali hrbtenjače. Izkazalo se je, da je intrinzični mehanizem kortikogeneze iz embrionalnih matičnih celic mogoče gojiti v posodi, pravi skorji, tako kot v možganih, ki je sestavljen iz več plasti nevronov in vsebuje pomožne astrocite.

Jasno je, da dvodimenzionalne kulture predstavljajo zelo poenostavljen model. Načelo samoorganiziranja živčnega tkiva je znanstvenikom pomagalo hitro preiti na tridimenzionalne strukture, imenovane sferoidi in možganske organele. Na proces organizacije tkiva lahko vplivajo spremembe začetnih pogojev, kot so začetna gostota kulture in heterogenost celic, ter eksogeni dejavniki. Z moduliranjem aktivnosti določenih signalnih kaskad je mogoče doseči celo nastanek naprednih struktur v organoidu, kot je optična skodelica z epitelijem mrežnice, ki reagira na raznovrstnost celic in dinamiko omrežja v fotoobčutljivih organoidih človeških možganov na svetlobo.

Uporaba posebne posode in zdravljenje z rastnimi faktorji sta znanstvenikom omogočila, da so namensko pridobili modeliranje razvoja človeške skorje in vitro z uporabo induciranih pluripotentnih matičnih celic - človeškega možganskega organoida, ki ustreza prednjem možganu (hemisferam) s skorjo, katerega razvoj, sodeč po izražanje genov in markerjev, ustrezalo prvemu trimesečju razvoja ploda …

Znanstveniki s Stanforda, ki jih vodi Sergiu Pasca, so razvili funkcionalne kortikalne nevrone in astrocite iz človeških pluripotentnih matičnih celic v 3D kulturi, način za gojenje kep, ki posnemajo prednji možgani kar v petrijevki. Velikost takšnih "možganov" je približno 4 milimetre, vendar po 9-10 mesecih zorenja kortikalni nevroni in astrociti v tej strukturi ustrezajo postnatalni stopnji razvoja, torej ravni razvoja otroka takoj po rojstvu.

Pomembno je, da lahko matične celice za gojenje takšnih struktur vzamemo od določenih ljudi, na primer od bolnikov z genetsko določenimi boleznimi živčnega sistema. In napredek genskega inženiringa kaže, da bodo znanstveniki kmalu lahko opazovali in vitro razvoj možganov neandertalca ali denisovanca.

Leta 2013 so raziskovalci z Inštituta za molekularno biotehnologijo Avstrijske akademije znanosti objavili članek Cerebralni organoidi modelirajo razvoj človeških možganov in mikrocefalijo, v katerem opisujejo gojenje "miniaturnih možganov" iz dveh vrst matičnih celic v bioreaktorju, ki posnema struktura celotnih človeških možganov.

Različne cone organoida so ustrezale različnim delom možganov: zadnji, srednji in sprednji, »prednji možgani« pa so celo pokazal nadaljnjo diferenciacijo v režnje (»hemisfere«). Pomembno je, da so znanstveniki v teh mini-možganih, ki prav tako niso presegli nekaj milimetrov, opazili znake aktivnosti, zlasti nihanja koncentracije kalcija v nevronih, ki služijo kot indikator njihove ekscitacije (podrobno si lahko preberete o tem poskusu tukaj).

Cilj znanstvenikov ni bil le reproducirati evolucijo možganov in vitro, ampak tudi preučiti molekularne procese, ki vodijo do mikrocefalije - razvojne nepravilnosti, ki se pojavi zlasti, ko je zarodek okužen z virusom Zika. Za to so avtorji dela vzgojili iste mini-možgane iz bolnikovih celic.

Kljub impresivnim rezultatom so bili znanstveniki prepričani, da takšne organele niso sposobne ničesar uresničiti. Prvič, pravi možgani vsebujejo približno 80 milijard nevronov, gojeni organoid pa nekaj vrst manj. Tako mini možgani preprosto fizično niso sposobni v celoti opravljati funkcij pravih možganov.

Drugič, zaradi posebnosti razvoja "in vitro" so bile nekatere njegove strukture nameščene precej kaotično in so med seboj tvorile napačne, nefiziološke povezave. Če so mini možgani kaj mislili, je bilo očitno nekaj nenavadnega za nas.

Da bi rešili problem interakcije oddelkov, so nevroznanstveniki predlagali modeliranje možganov na novi ravni, ki se imenuje "assembloidi". Za njihovo tvorbo se organele najprej gojijo ločeno, ki ustrezajo posameznim delom možganov, nato pa se združijo.

Znanstveniki so s tem pristopom uporabili sklop funkcionalno integriranih sferoidov človeških prednjih možganov, da bi preučili, kako so tako imenovani internevroni, ki se pojavijo po tvorbi večine nevronov z migracijo iz sosednjega prednjega možgana, vključeni v skorjo. Asembloidi, pridobljeni iz dveh vrst živčnega tkiva, so omogočili preučevanje motenj v migraciji internevronov pri bolnikih z epilepsijo in avtizmom.

Zbudi se v telesu nekoga drugega

Kljub vsem izboljšavam so zmogljivosti možganov v cevi močno omejene s tremi temeljnimi pogoji. Prvič, nimajo žilnega sistema, ki bi jim omogočal dovajanje kisika in hranil v njihove notranje strukture. Zaradi tega je velikost mini možganov omejena s sposobnostjo molekul, da se razpršijo skozi tkivo. Drugič, nimajo imunskega sistema, ki ga predstavljajo mikroglialne celice: običajno te celice migrirajo v osrednji živčni sistem od zunaj. Tretjič, struktura, ki raste v raztopini, nima posebnega mikrookolja, ki ga zagotavlja telo, kar omejuje število signalnih molekul, ki ga dosežejo. Rešitev teh težav bi lahko bila ustvarjanje modelnih živali s himernimi možgani.

Nedavno delo In vivo model funkcionalnih in vaskulariziranih človeških možganskih organoidov ameriških znanstvenikov z inštituta Salk pod vodstvom Freda Gagea opisuje integracijo človeške možganske organele (to je mini možgane) v možgane miške.. Da bi to naredili, so znanstveniki najprej vstavili gen za zeleno fluorescentno beljakovino v DNK matičnih celic, da bi lahko z mikroskopom opazovali usodo razvijajočega se živčnega tkiva. Iz teh celic so 40 dni gojili organoide, ki so jih nato vsadili v votlino v retrosplenalni skorji imunsko pomanjkljive miši. Tri mesece pozneje se je pri 80 odstotkih živali implantat ukoreninil.

Himerne možgane miši so analizirali osem mesecev. Izkazalo se je, da se je organoid, ki ga je mogoče zlahka razlikovati po luminiscenci fluorescenčnega proteina, uspešno integriral, oblikoval razvejano žilno mrežo, zrastel aksone in oblikoval sinapse z živčnimi procesi možganov gostitelja. Poleg tega so se celice mikroglije preselile iz gostitelja v implantat. Nazadnje so raziskovalci potrdili funkcionalno aktivnost nevronov – pokazali so električno aktivnost in nihanja kalcija. Tako so človeški "mini možgani" v celoti vstopili v sestavo mišjih možganov.

Presenetljivo je, da integracija koščka človeškega živčnega tkiva ni vplivala na vedenje eksperimentalnih miši. V testu za prostorsko učenje so miši s himernimi možgani delovale enako kot običajne miši in so imele celo slabši spomin - raziskovalci so to pojasnili z dejstvom, da so za implantacijo naredili luknjo v možganski skorji.

Kljub temu cilj tega dela ni bil pridobiti inteligentno miško s človeško zavestjo, temveč ustvariti in vivo model človeških možganskih organelov, opremljenih z žilno mrežo in mikrookoljem za različne biomedicinske namene.

Znanstveniki Centra za translacijsko nevromedicino na Univerzi v Rochestru so leta 2013 uprizorili eksperiment popolnoma drugačne vrste s presaditvijo prednjega možgana s človeškimi glialnimi matičnimi celicami, ki povečuje sinaptično plastičnost in učenje pri odraslih miših. Kot smo že omenili, se človeške pomožne možganske celice (astrociti) zelo razlikujejo od celic drugih živali, zlasti miši. Iz tega razloga raziskovalci kažejo, da imajo astrociti pomembno vlogo pri razvoju in vzdrževanju človeških možganskih funkcij. Da bi preizkusili, kako bi se himerni mišji možgani razvili s človeškimi astrociti, so znanstveniki v možgane mišjih zarodkov posadili prekurzorje pomožnih celic.

Izkazalo se je, da v himeričnih možganih človeški astrociti delujejo trikrat hitreje kot miši. Poleg tega so se miši s himernimi možgani v mnogih pogledih izkazale za bistveno pametnejše kot običajno. Hitreje so razmišljali, se bolje učili in krmarili po labirintu. Verjetno himerne miši niso razmišljale kot ljudje, morda pa bi se lahko počutile na drugi stopnji evolucije.

Vendar pa glodalci še zdaleč niso idealni modeli za preučevanje človeških možganov. Dejstvo je, da človeško živčno tkivo zori po neki notranji molekularni uri in njegov prenos v drug organizem tega procesa ne pospeši. Glede na to, da miši živijo le dve leti, popolna tvorba človeških možganov pa traja nekaj desetletij, dolgotrajnih procesov v obliki himeričnih možganov ni mogoče preučiti. Morda prihodnost nevroznanosti še vedno pripada človeškim možganom v akvarijih – da bi ugotovili, kako etično je, se morajo znanstveniki le naučiti brati misli in zdi se, da bo sodobna tehnologija to kmalu zmogla.