Cum cercetătorii studiază creierul uman izolat de organism

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 04:09

Cum creează oamenii de știință modele ale creierului uman și ce probleme etice ridică astfel de cercetări.

Jurnalul Nature a publicat Etica experimentării cu țesutul creierului uman, o scrisoare colectivă a 17 oameni de știință de top din lume, în care oamenii de știință au discutat despre progresul în dezvoltarea modelelor de creier uman. Temerile specialiștilor sunt următoarele: probabil că în viitorul apropiat modelele vor deveni atât de avansate încât vor începe să reproducă nu numai structura, ci și funcțiile creierului uman.

Este posibil să se creeze „într-o eprubetă” o bucată de țesut nervos care are conștiință? Oamenii de știință cunosc structura creierului animalelor în cel mai mic detaliu, dar încă nu și-au dat seama ce structuri „codifică” conștiința și cum să-i măsoare prezența, dacă vorbim de un creier izolat sau de asemănarea acestuia.

Creierul în acvariu

„Imaginați-vă că vă treziți într-o cameră izolată de privare senzorială - nu există lumină, nici sunet, nici stimuli externi în jur. Doar conștiința ta, atârnând în vid.”

Aceasta este imaginea eticienilor care comentează o declarație a neuroștiinței Nenad Sestan de la Universitatea Yale, potrivit căreia echipa sa a reușit să mențină în viață un creier izolat de porc timp de 36 de ore.

Cercetătorii mențin creierul de porc în viață în afara raportului corporal al unui experiment de succes, care a fost făcut la o reuniune a Comitetului de etică al Institutului Național de Sănătate din SUA la sfârșitul lunii martie a acestui an. Folosind un sistem de pompă încălzit numit BrainEx și un înlocuitor de sânge sintetic, cercetătorii au menținut circulația fluidelor și alimentarea cu oxigen la creierul izolat al sutelor de animale ucise într-un abator cu câteva ore înainte de experiment, a spus el.

Organele au rămas în viață, judecând după persistența activității a miliarde de neuroni individuali. Cu toate acestea, oamenii de știință nu pot spune dacă creierul de porc plasat în „acvariu” a păstrat semne de conștiință. Absența activității electrice, testată într-un mod standardizat cu ajutorul unei electroencefalograme, l-a convins pe Sestan că „acest creier nu este îngrijorat de nimic”. Este posibil ca creierul izolat al animalului să fi fost în comă, ceea ce, în special, ar putea fi facilitat de spălarea componentelor soluției.

Autorii nu dezvăluie detaliile experimentului - pregătesc o publicație într-o jurnal științific. Cu toate acestea, chiar și raportul lui Sestan, sărac în detalii, a stârnit un mare interes și multe speculații cu privire la dezvoltarea ulterioară a tehnologiei. Se pare că conservarea creierului nu este mult mai dificilă din punct de vedere tehnic decât conservarea oricărui alt organ pentru transplant, cum ar fi inima sau rinichiul.

Aceasta înseamnă că teoretic este posibil să se păstreze creierul uman într-o stare mai mult sau mai puțin naturală.

Creierele izolate ar putea fi un model bun, de exemplu, pentru cercetarea medicamentelor: la urma urmei, restricțiile de reglementare existente se aplică oamenilor vii, și nu organelor individuale. Totuși, din punct de vedere etic, aici apar multe întrebări. Chiar și chestiunea morții cerebrale rămâne o „zonă gri” pentru cercetători - în ciuda existenței unor criterii medicale formale, există o serie de afecțiuni similare, din care este încă posibilă revenirea la viața normală. Ce putem spune despre situația când afirmăm că creierul rămâne în viață. Ce se întâmplă dacă creierul, izolat de corp, continuă să păstreze unele sau toate trăsăturile de personalitate? Atunci este foarte posibil să ne imaginăm situația descrisă la începutul articolului.

Acolo unde conștiința pândește

În ciuda faptului că până în anii 80 ai secolului XX, au existat susținători ai teoriei dualismului, care separă sufletul de corp, printre oamenii de știință, în vremea noastră chiar și filosofii care studiază psihicul sunt de acord că tot ceea ce numim conștiință este generat. de creierul material (istoria Întrebarea poate fi citită mai detaliat, de exemplu, în acest capitol Where is Consciousness: History of the Issue and Prospects of Search din cartea laureatului Nobel Eric Kandel „În căutarea memoriei”).

În plus, cu tehnici moderne, cum ar fi imagistica prin rezonanță magnetică funcțională, oamenii de știință pot urmări care zone ale creierului sunt activate în timpul unor exerciții mentale specifice. Cu toate acestea, conceptul de conștiință în ansamblu este prea efemer, iar oamenii de știință încă nu sunt de acord dacă este codificat de un set de procese care au loc în creier sau dacă anumite corelații neuronale sunt responsabile pentru aceasta.

După cum spune Kandel în cartea sa, la pacienții cu emisfere cerebrale separate chirurgical, conștiința este împărțită în două, fiecare dintre acestea percepând o imagine independentă a lumii.

Aceste cazuri și cazuri similare din practica neurochirurgicală indică cel puțin că pentru existența conștiinței nu este necesară integritatea creierului ca structură simetrică. Unii oameni de știință, inclusiv descoperitorul structurii ADN-ului Francis Crick, care la sfârșitul vieții a devenit interesat de neuroștiință, cred că prezența conștiinței este determinată de structuri specifice din creier.

Poate că acestea sunt anumite circuite neuronale, sau poate că scopul este în celulele auxiliare ale creierului - astrocitele, care la oameni, în comparație cu alte animale, sunt destul de foarte specializate. Într-un fel sau altul, oamenii de știință au ajuns deja la punctul de a modela structurile individuale ale creierului uman in vitro („in vitro”) sau chiar in vivo (ca parte a creierului animalelor).

Treziți-vă într-un bioreactor

Nu se știe cât de curând vor ajunge la experimente pe creiere întregi extrase din corpul uman - în primul rând, neurologii și eticienii trebuie să cadă de acord asupra regulilor jocului. Cu toate acestea, în laboratoarele din vase Petri și bioreactoare, creșterea culturilor tridimensionale ale creierului uman este deja în creștere „mini-creiere” care imită structura creierului uman „mare” sau părțile sale specifice.

În procesul de dezvoltare a embrionului, organele acestuia sunt formate până la anumite etape conform unui program inerent genelor, conform principiului auto-organizării. Sistemul nervos nu face excepție. Cercetătorii au descoperit că dacă diferențierea în celule a țesutului nervos este indusă în cultura de celule stem cu ajutorul anumitor substanțe, aceasta duce la rearanjamente spontane în cultura celulară, similare cu cele care apar în timpul morfogenezei tubului neural embrionar.

Celulele stem induse în acest mod „în mod implicit” se diferențiază în cele din urmă în neuroni ai cortexului cerebral, totuși, prin adăugarea de molecule de semnalizare din exterior într-o placă Petri, de exemplu, se pot obține celule ale creierului mediu, striatului sau măduvei spinării. S-a dovedit că un mecanism intrinsec al corticogenezei din celulele stem embrionare poate fi cultivat într-un vas, un adevărat cortex, la fel ca în creier, format din mai multe straturi de neuroni și care conține astrocite auxiliare.

Este clar că culturile bidimensionale reprezintă un model extrem de simplificat. Principiul de auto-organizare al țesutului nervos a ajutat oamenii de știință să treacă rapid la structuri tridimensionale numite sferoizi și organite cerebrale. Procesul de organizare a țesuturilor poate fi influențat de modificări ale condițiilor inițiale, cum ar fi densitatea inițială a culturii și eterogenitatea celulelor, și de factori exogeni. Prin modularea activității anumitor cascade de semnalizare, este chiar posibil să se realizeze formarea unor structuri avansate în organoid, cum ar fi cupa optică cu epiteliul retinian, care reacționează la lumină diversitatea celulară și dinamica rețelei din organoizii creierului uman fotosensibil.

Utilizarea unui vas special și tratamentul cu factori de creștere au permis oamenilor de știință să obțină în mod intenționat Modelarea dezvoltării corticale umane in vitro folosind celule stem pluripotente induse - un organoid cerebral uman corespunzător creierului anterior (emisferelor) cu un cortex, a cărui dezvoltare, judecând după expresia genelor și a markerilor, a corespuns primului trimestru al dezvoltării fetale…

Iar oamenii de știință de la Stanford, conduși de Sergiu Pasca, au dezvoltat neuroni corticali funcționali și astrocite din celule stem pluripotente umane în cultură 3D, o modalitate de a crește aglomerații care imită creierul anterior chiar într-o cutie Petri. Dimensiunea unui astfel de „creier” este de aproximativ 4 milimetri, dar după 9-10 luni de maturare, neuronii corticali și astrocitele din această structură corespund nivelului de dezvoltare postnatal, adică nivelului de dezvoltare a bebelușului imediat după naștere.

Important este că celulele stem pentru creșterea unor astfel de structuri pot fi luate de la anumite persoane, de exemplu, de la pacienți cu boli ale sistemului nervos determinate genetic. Iar progresele în inginerie genetică sugerează că oamenii de știință vor putea în curând să observe in vitro dezvoltarea creierului unui Neanderthal sau Denisovan.

În 2013, cercetătorii de la Institutul de Biotehnologie Moleculară al Academiei Austriece de Științe au publicat un articol Organoizii cerebrali modelează dezvoltarea creierului uman și microcefalia, descriind cultivarea unui „creier în miniatură” din două tipuri de celule stem într-un bioreactor, care imită structura întregului creier uman.

Diferite zone ale organoidului corespundeau diferitelor părți ale creierului: posterioară, mijlocie și anterioară, iar „creierul anterior” chiar a arătat o diferențiere suplimentară în lobi („emisfere”). Este important că în acest mini-creier, care, de asemenea, nu a depășit câțiva milimetri în dimensiune, oamenii de știință au observat semne de activitate, în special fluctuații ale concentrației de calciu în interiorul neuronilor, care servesc ca un indicator al excitației lor (puteți citi în detaliu). despre acest experiment aici).

Scopul oamenilor de știință nu a fost doar să reproducă evoluția creierului in vitro, ci și să studieze procesele moleculare care duc la microcefalie - o anomalie de dezvoltare care apare, în special, atunci când un embrion este infectat cu virusul Zika. Pentru aceasta, autorii lucrării au crescut același mini-creier din celulele pacientului.

În ciuda rezultatelor impresionante, oamenii de știință erau convinși că astfel de organele nu sunt capabile să realizeze nimic. În primul rând, creierul real conține aproximativ 80 de miliarde de neuroni, iar organoidul crescut conține câteva ordine de mărime mai puțin. Astfel, un mini-creier pur și simplu nu este capabil fizic să îndeplinească pe deplin funcțiile unui creier real.

În al doilea rând, datorită particularităților dezvoltării „in vitro”, unele dintre structurile sale au fost localizate destul de haotic și au format conexiuni incorecte, nefiziologice între ele. Dacă mini-creierul s-a gândit la ceva, era în mod clar ceva neobișnuit pentru noi.

Pentru a rezolva problema interacțiunii departamentelor, neurologii și-au propus modelarea creierului la un nou nivel, care se numește „asambloizi”. Pentru formarea lor, organelele sunt cultivate mai întâi separat, corespunzătoare părților individuale ale creierului, apoi sunt îmbinate.

Această abordare, oamenii de știință au folosit Ansamblul sferoidelor creierului anterior uman integrat funcțional pentru a studia modul în care așa-numiții interneuroni, care apar după formarea majorității neuronilor prin migrarea dinspre creierul anterior adiacent, sunt încorporați în cortex. Asamblele obținute din două tipuri de țesut nervos au făcut posibilă studierea tulburărilor în migrarea interneuronilor la pacienții cu epilepsie și autism.

Treziți-vă în corpul altcuiva

Chiar și cu toate îmbunătățirile, capacitățile brain-in-a-tube sunt sever constrânse de trei condiții fundamentale. În primul rând, nu au un sistem vascular care să le permită să livreze oxigen și substanțe nutritive structurilor lor interne. Din acest motiv, dimensiunea mini-creierului este limitată de capacitatea moleculelor de a difuza prin țesut. În al doilea rând, nu au un sistem imunitar, reprezentat de celule microgliale: în mod normal aceste celule migrează spre sistemul nervos central din exterior. În al treilea rând, o structură care crește în soluție nu are un micromediu specific furnizat de organism, ceea ce limitează numărul de molecule de semnalizare care ajung la ea. Soluția la aceste probleme ar putea fi crearea de animale model cu creier himeric.

Lucrarea recentă An in vivo model of functional and vascularized human brain organoids de către oamenii de știință americani de la Institutul Salk sub conducerea lui Fred Gage descrie integrarea unui organel cerebral uman (adică un mini-creier) în creierul unui șoarece.. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință au introdus mai întâi gena pentru o proteină verde fluorescentă în ADN-ul celulelor stem, astfel încât soarta țesutului nervos în curs de dezvoltare să poată fi observată folosind microscopie. Organoizii au fost cultivați din aceste celule timp de 40 de zile, care au fost apoi implantați într-o cavitate din cortexul retrosplenal al unui șoarece imunodeficient. Trei luni mai târziu, la 80% dintre animale, implantul a prins rădăcini.

Creierele himerice ale șoarecilor au fost analizate timp de opt luni. S-a dovedit că organoidul, care putea fi distins cu ușurință prin luminescența unei proteine fluorescente, integrat cu succes, a format o rețea vasculară ramificată, a crescut axonii și a format sinapse cu procesele nervoase ale creierului gazdă. În plus, celulele microglia s-au mutat de la gazdă la implant. În cele din urmă, cercetătorii au confirmat activitatea funcțională a neuronilor - au arătat activitate electrică și fluctuații ale calciului. Astfel, „mini-creierul” uman a intrat pe deplin în compoziția creierului șoarecelui.

În mod surprinzător, integrarea unei bucăți de țesut nervos uman nu a afectat comportamentul șoarecilor experimentali. Într-un test de învățare spațială, șoarecii cu creier himeric au avut aceleași performanțe ca șoarecii normali și chiar au avut o memorie mai proastă - cercetătorii au explicat acest lucru prin faptul că pentru implantare au făcut o gaură în cortexul cerebral.

Cu toate acestea, scopul acestei lucrări nu a fost obținerea unui șoarece inteligent cu conștiință umană, ci crearea unui model in vivo de organele cerebrale umane echipate cu o rețea vasculară și micromediu pentru diverse scopuri biomedicale.

Un experiment cu totul diferit a fost realizat prin grefarea creierului anterior de către celulele progenitoare gliale umane, îmbunătățește plasticitatea sinaptică și învățarea la șoarecii adulți de către oamenii de știință de la Centrul de neuromedicină translațională de la Universitatea din Rochester în 2013. După cum am menționat mai devreme, celulele accesorii ale creierului uman (astrocitele) sunt foarte diferite de cele ale altor animale, în special ale șoarecilor. Din acest motiv, cercetătorii sugerează că astrocitele joacă un rol important în dezvoltarea și menținerea funcțiilor creierului uman. Pentru a testa modul în care un creier himeric de șoarece s-ar dezvolta cu astrocite umane, oamenii de știință au plantat precursori de celule ajutătoare în creierul embrionilor de șoarece.

S-a dovedit că într-un creier himeric, astrocitele umane lucrează de trei ori mai repede decât șoarecii. În plus, șoarecii cu creier himeric s-au dovedit a fi semnificativ mai inteligenți decât de obicei în multe privințe. Au fost mai repede să gândească, să învețe mai bine și să navigheze în labirint. Probabil, șoarecii himerici nu gândeau ca oamenii, dar, poate, se puteau simți într-un alt stadiu de evoluție.

Cu toate acestea, rozătoarele sunt departe de a fi modele ideale pentru studierea creierului uman. Faptul este că țesutul nervos uman se maturizează în funcție de un ceas molecular intern, iar transferul lui într-un alt organism nu accelerează acest proces. Având în vedere că șoarecii trăiesc doar doi ani, iar formarea completă a creierului uman durează câteva decenii, orice proces pe termen lung în formatul unui creier himeric nu poate fi studiat. Poate că viitorul neuroștiinței aparține încă creierului uman din acvarii - pentru a afla cât de etic este, oamenii de știință trebuie doar să învețe cum să citească mințile, iar tehnologia modernă pare să poată face acest lucru în curând.