Bagaimana penyelidik mengkaji otak manusia secara berasingan daripada badan

2024 Pengarang: Malcolm Clapton | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 04:06

Bagaimana saintis mencipta model otak manusia dan apakah isu etika yang ditimbulkan oleh penyelidikan tersebut.

Jurnal Nature menerbitkan Etika bereksperimen dengan tisu otak manusia, surat kolektif 17 ahli sains saraf terkemuka di dunia, di mana saintis membincangkan kemajuan dalam pembangunan model otak manusia. Ketakutan pakar adalah seperti berikut: mungkin dalam masa terdekat model akan menjadi sangat maju sehingga mereka akan mula menghasilkan semula bukan sahaja struktur, tetapi juga fungsi otak manusia.

Adakah mungkin untuk mencipta "dalam tabung uji" sekeping tisu saraf yang mempunyai kesedaran? Para saintis mengetahui struktur otak haiwan dalam butiran terkecil, tetapi masih belum mengetahui struktur mana yang "mengkodkan" kesedaran dan bagaimana untuk mengukur kehadirannya, jika kita bercakap tentang otak terpencil atau persamaannya.

Otak dalam akuarium

“Bayangkan bangun dalam ruang kekurangan deria terpencil - tiada cahaya, tiada bunyi, tiada rangsangan luar di sekeliling. Hanya kesedaran anda, tergantung dalam kekosongan."

Itulah gambaran ahli etika mengulas kenyataan ahli sains saraf Universiti Yale, Nenad Sestan bahawa pasukannya dapat mengekalkan otak babi yang terpencil hidup selama 36 jam.

Penyelidik memastikan otak babi hidup di luar laporan badan eksperimen yang berjaya dibuat pada mesyuarat Jawatankuasa Etika Institut Kesihatan Kebangsaan AS pada akhir Mac tahun ini. Menggunakan sistem pam yang dipanaskan dipanggil BrainEx dan pengganti darah sintetik, para penyelidik mengekalkan peredaran cecair dan bekalan oksigen ke otak terpencil ratusan haiwan yang dibunuh di rumah penyembelihan beberapa jam sebelum eksperimen, katanya.

Organ-organ itu kekal hidup, berdasarkan kegigihan aktiviti berbilion-bilion neuron individu. Walau bagaimanapun, saintis tidak boleh mengatakan sama ada otak babi yang diletakkan di dalam "akuarium" mengekalkan tanda-tanda kesedaran. Ketiadaan aktiviti elektrik, diuji dengan cara piawai menggunakan electroencephalogram, meyakinkan Sestan bahawa "otak ini tidak bimbang tentang apa-apa." Ada kemungkinan bahawa otak haiwan yang terpencil berada dalam keadaan koma, yang, khususnya, boleh difasilitasi oleh komponen penyelesaian yang membasuhnya.

Penulis tidak mendedahkan butiran eksperimen - mereka sedang menyediakan penerbitan dalam jurnal saintifik. Walau bagaimanapun, laporan Sestan, yang kurang terperinci, menimbulkan minat yang besar dan banyak spekulasi mengenai perkembangan teknologi selanjutnya. Nampaknya memelihara otak tidak lebih sukar dari segi teknikal daripada memelihara organ lain untuk pemindahan, seperti jantung atau buah pinggang.

Ini bermakna secara teorinya adalah mungkin untuk memelihara otak manusia dalam keadaan semula jadi.

Otak terpencil boleh menjadi model yang baik, sebagai contoh, untuk menyelidik dadah: lagipun, sekatan peraturan sedia ada dikenakan kepada orang yang masih hidup, dan bukan kepada organ individu. Walau bagaimanapun, dari sudut etika, banyak persoalan timbul di sini. Malah persoalan kematian otak kekal sebagai "kawasan kelabu" untuk penyelidik - walaupun terdapat kriteria perubatan formal, terdapat beberapa keadaan yang sama, dari mana kembali ke aktiviti kehidupan normal masih mungkin. Apa yang boleh kita katakan tentang keadaan apabila kita menegaskan bahawa otak masih hidup. Bagaimana jika otak, diasingkan daripada badan, terus mengekalkan sebahagian atau semua ciri personaliti? Maka agak mungkin untuk membayangkan keadaan yang diterangkan pada permulaan artikel.

Di mana kesedaran mengintai

Walaupun fakta bahawa sehingga tahun 80-an abad ke-20, terdapat penyokong teori dualisme, yang memisahkan jiwa dari badan, di kalangan saintis, pada zaman kita bahkan ahli falsafah yang mengkaji jiwa bersetuju bahawa segala-galanya yang kita panggil kesedaran dihasilkan. oleh otak material (sejarah Soalan boleh dibaca dengan lebih terperinci, contohnya, dalam bab ini Di manakah Kesedaran: Sejarah Isu dan Prospek Pencarian dari buku pemenang Nobel Eric Kandel "In Search of Memory").

Apatah lagi, dengan teknik moden seperti pengimejan resonans magnetik berfungsi, saintis boleh mengesan kawasan otak mana yang diaktifkan semasa latihan mental tertentu. Namun begitu, konsep kesedaran secara keseluruhan adalah terlalu fana, dan saintis masih tidak bersetuju sama ada ia dikodkan oleh satu set proses yang berlaku di dalam otak, atau sama ada korelasi saraf tertentu bertanggungjawab untuknya.

Seperti yang dikatakan Kandel dalam bukunya, pada pesakit dengan hemisfera serebrum yang dipisahkan melalui pembedahan, kesedaran terbahagi kepada dua, yang masing-masing merasakan gambaran bebas tentang dunia.

Ini dan kes-kes yang serupa dari amalan neurosurgikal menunjukkan sekurang-kurangnya bahawa untuk kewujudan kesedaran, integriti otak sebagai struktur simetri tidak diperlukan. Sesetengah saintis, termasuk penemu struktur DNA Francis Crick, yang pada akhir hayatnya menjadi berminat dengan neurosains, percaya bahawa kehadiran kesedaran ditentukan oleh struktur tertentu di dalam otak.

Mungkin ini adalah litar saraf tertentu, atau mungkin intinya adalah dalam sel tambahan otak - astrosit, yang pada manusia, berbanding dengan haiwan lain, agak sangat khusus. Satu cara atau yang lain, saintis telah mencapai tahap memodelkan struktur individu otak manusia secara in vitro (“in vitro”) atau bahkan in vivo (sebagai sebahagian daripada otak haiwan).

Bangun dalam bioreaktor

Tidak diketahui berapa lama lagi ia akan datang kepada eksperimen pada keseluruhan otak yang diekstrak daripada tubuh manusia - pertama, ahli sains saraf dan ahli etika mesti bersetuju dengan peraturan permainan. Namun begitu, di makmal dalam hidangan Petri dan bioreaktor, kebangkitan budaya otak manusia tiga dimensi sudahpun berkembang "otak mini" yang meniru struktur otak manusia "besar" atau bahagian khususnya.

Dalam proses perkembangan embrio, organnya terbentuk sehingga peringkat tertentu mengikut beberapa program yang wujud dalam gen mengikut prinsip organisasi diri. Sistem saraf tidak terkecuali. Para penyelidik mendapati bahawa jika pembezaan ke dalam sel-sel tisu saraf diinduksi dalam kultur sel stem dengan bantuan bahan-bahan tertentu, ini membawa kepada penyusunan semula spontan dalam kultur sel, sama seperti yang berlaku semasa morfogenesis tiub neural embrio.

Sel stem yang diinduksi dengan cara ini "secara lalai" akhirnya membezakan menjadi neuron korteks serebrum, bagaimanapun, dengan menambahkan molekul isyarat dari luar ke hidangan Petri, sebagai contoh, sel otak tengah, striatum atau saraf tunjang boleh diperolehi. Ternyata mekanisme intrinsik kortiogenesis daripada sel stem embrio boleh ditanam dalam hidangan, korteks sebenar, sama seperti di otak, yang terdiri daripada beberapa lapisan neuron dan mengandungi astrosit tambahan.

Adalah jelas bahawa budaya dua dimensi mewakili model yang sangat mudah. Prinsip penyusunan sendiri tisu saraf membantu saintis dengan cepat bergerak ke struktur tiga dimensi yang dipanggil spheroid dan organel serebrum. Proses organisasi tisu boleh dipengaruhi oleh perubahan dalam keadaan awal, seperti ketumpatan kultur awal dan heterogenitas sel, dan oleh faktor eksogen. Dengan memodulasi aktiviti lata isyarat tertentu, adalah mungkin untuk mencapai pembentukan struktur termaju dalam organoid, seperti cawan optik dengan epitelium retina, yang bertindak balas kepelbagaian sel dan dinamik rangkaian dalam organoid otak manusia yang fotosensitif kepada cahaya.

Penggunaan kapal khas dan rawatan dengan faktor pertumbuhan membolehkan saintis sengaja mendapatkan Pemodelan pembangunan kortikal manusia secara in vitro menggunakan sel stem pluripoten teraruh - organoid serebrum manusia yang sepadan dengan otak depan (hemisfera) dengan korteks, perkembangannya, berdasarkan ekspresi gen dan penanda, sepadan dengan trimester pertama perkembangan janin …

Dan saintis dari Stanford, diketuai oleh Sergiu Pasca, telah membangunkan neuron kortikal fungsional dan astrosit daripada sel stem pluripotent manusia dalam budaya 3D, satu cara untuk menumbuhkan rumpun yang meniru otak depan betul-betul dalam hidangan Petri. Saiz "otak" sedemikian adalah kira-kira 4 milimeter, tetapi selepas 9-10 bulan pematangan, neuron kortikal dan astrosit dalam struktur ini sepadan dengan tahap perkembangan selepas bersalin, iaitu tahap perkembangan bayi sejurus selepas kelahiran.

Yang penting, sel stem untuk mengembangkan struktur sedemikian boleh diambil daripada orang tertentu, contohnya, daripada pesakit dengan penyakit sistem saraf yang ditentukan secara genetik. Dan kemajuan dalam kejuruteraan genetik mencadangkan bahawa saintis tidak lama lagi akan dapat memerhatikan perkembangan otak Neanderthal atau Denisovan secara in vitro.

Pada tahun 2013, penyelidik dari Institut Bioteknologi Molekul Akademi Sains Austria menerbitkan artikel Organoid serebrum memodelkan perkembangan otak manusia dan mikrosefali, yang menerangkan penanaman "otak kecil" daripada dua jenis sel stem dalam bioreaktor, yang meniru struktur seluruh otak manusia.

Zon organoid yang berbeza sepadan dengan bahagian otak yang berlainan: posterior, tengah dan anterior, dan "otak depan" bahkan menunjukkan pembezaan lanjut ke dalam lobus ("hemisfera"). Yang penting, dalam otak mini ini, yang juga tidak melebihi beberapa milimeter dalam saiz, saintis memerhatikan tanda-tanda aktiviti, khususnya turun naik dalam kepekatan kalsium di dalam neuron, yang berfungsi sebagai penunjuk pengujaan mereka (anda boleh membaca secara terperinci mengenai eksperimen ini di sini).

Matlamat saintis bukan sahaja untuk menghasilkan semula evolusi otak secara in vitro, tetapi juga untuk mengkaji proses molekul yang membawa kepada mikrosefali - kelainan perkembangan yang berlaku, khususnya, apabila embrio dijangkiti virus Zika. Untuk ini, pengarang kerja telah mengembangkan otak mini yang sama dari sel-sel pesakit.

Walaupun hasil yang mengagumkan, para saintis yakin bahawa organel tersebut tidak dapat merealisasikan apa-apa. Pertama, otak sebenar mengandungi kira-kira 80 bilion neuron, dan organoid yang tumbuh mengandungi beberapa susunan magnitud yang kurang. Oleh itu, otak mini tidak mampu secara fizikal melaksanakan fungsi otak sebenar sepenuhnya.

Kedua, disebabkan oleh keanehan pembangunan "in vitro", beberapa strukturnya terletak agak huru-hara dan membentuk hubungan bukan fisiologi yang salah antara satu sama lain. Jika otak mini memikirkan apa-apa, ia jelas sesuatu yang luar biasa bagi kita.

Untuk menyelesaikan masalah interaksi jabatan, ahli sains saraf telah mencadangkan untuk memodelkan otak pada tahap baru, yang dipanggil "assembloids". Untuk pembentukannya, organel mula-mula ditanam secara berasingan, sepadan dengan bahagian otak individu, dan kemudian mereka digabungkan.

Pendekatan ini saintis menggunakan Perhimpunan spheroid otak depan manusia yang terintegrasi berfungsi untuk mengkaji bagaimana interneuron yang dipanggil, yang muncul selepas pembentukan sebahagian besar neuron melalui penghijrahan dari otak depan bersebelahan, dimasukkan ke dalam korteks. Assembloid yang diperoleh daripada dua jenis tisu saraf telah memungkinkan untuk mengkaji gangguan dalam penghijrahan interneuron pada pesakit epilepsi dan autisme.

Bangun dalam badan orang lain

Walaupun dengan semua penambahbaikan, keupayaan otak-dalam-tiub sangat dikekang oleh tiga syarat asas. Pertama, mereka tidak mempunyai sistem vaskular yang membolehkan mereka menghantar oksigen dan nutrien ke struktur dalaman mereka. Atas sebab ini, saiz otak mini dihadkan oleh keupayaan molekul untuk meresap melalui tisu. Kedua, mereka tidak mempunyai sistem imun, diwakili oleh sel mikroglial: biasanya sel-sel ini berhijrah ke sistem saraf pusat dari luar. Ketiga, struktur yang tumbuh dalam larutan tidak mempunyai persekitaran mikro khusus yang disediakan oleh badan, yang mengehadkan bilangan molekul isyarat yang mencapainya. Penyelesaian kepada masalah ini boleh menjadi penciptaan haiwan model dengan otak chimeric.

Kerja terbaru Model in vivo organoid otak manusia yang berfungsi dan bervaskular oleh saintis Amerika dari Institut Salk di bawah arahan Fred Gage menerangkan integrasi organel serebrum manusia (iaitu, otak mini) ke dalam otak seekor tikus.. Untuk melakukan ini, para saintis terlebih dahulu memasukkan gen untuk protein pendarfluor hijau ke dalam DNA sel stem supaya nasib tisu saraf yang sedang berkembang dapat diperhatikan menggunakan mikroskop. Organoid telah ditanam daripada sel-sel ini selama 40 hari, yang kemudiannya ditanam ke dalam rongga dalam korteks retrosplenal tikus immunodeficient. Tiga bulan kemudian, dalam 80 peratus haiwan, implan itu berakar.

Otak chimeric tikus dianalisis selama lapan bulan. Ternyata organoid, yang boleh dengan mudah dibezakan oleh luminescence protein pendarfluor, berjaya disepadukan, membentuk rangkaian vaskular bercabang, tumbuh akson dan membentuk sinaps dengan proses saraf otak tuan rumah. Di samping itu, sel mikroglia telah berpindah dari perumah ke implan. Akhirnya, para penyelidik mengesahkan aktiviti fungsi neuron - mereka menunjukkan aktiviti elektrik dan turun naik dalam kalsium. Oleh itu, "otak mini" manusia sepenuhnya memasuki komposisi otak tetikus.

Anehnya, penyepaduan sekeping tisu saraf manusia tidak menjejaskan tingkah laku tikus eksperimen. Dalam ujian untuk pembelajaran spatial, tikus dengan otak chimeric melakukan sama seperti tikus biasa, malah mempunyai ingatan yang lebih teruk - para penyelidik menjelaskan ini dengan fakta bahawa untuk implantasi mereka membuat lubang di korteks serebrum.

Namun begitu, matlamat kerja ini bukanlah untuk mendapatkan tetikus pintar dengan kesedaran manusia, tetapi untuk mencipta model in vivo organel serebrum manusia yang dilengkapi dengan rangkaian vaskular dan persekitaran mikro untuk pelbagai tujuan bioperubatan.

Eksperimen jenis yang sama sekali berbeza telah dipentaskan oleh pengukiran Forebrain oleh sel progenitor glial manusia meningkatkan keplastikan sinaptik dan pembelajaran pada tikus dewasa oleh saintis di Pusat Perubatan Neurotranslasi di Universiti Rochester pada tahun 2013. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, sel otak aksesori manusia (astrosit) sangat berbeza daripada haiwan lain, khususnya tikus. Atas sebab ini, penyelidik mencadangkan bahawa astrosit memainkan peranan penting dalam pembangunan dan penyelenggaraan fungsi otak manusia. Untuk menguji bagaimana otak tetikus chimeric akan berkembang dengan astrosit manusia, para saintis menanam prekursor sel penolong dalam otak embrio tikus.

Ternyata dalam otak chimeric, astrosit manusia bekerja tiga kali lebih cepat daripada tikus. Lebih-lebih lagi, tikus dengan otak chimeric ternyata jauh lebih pintar daripada biasa dalam banyak cara. Mereka lebih pantas untuk berfikir, belajar dengan lebih baik dan mengemudi labirin. Mungkin, tikus chimeric tidak berfikir seperti manusia, tetapi, mungkin, mereka dapat merasakan diri mereka berada pada tahap evolusi yang berbeza.

Walau bagaimanapun, tikus jauh daripada model ideal untuk mengkaji otak manusia. Hakikatnya ialah tisu saraf manusia matang mengikut beberapa jam molekul dalaman, dan pemindahannya ke organisma lain tidak mempercepatkan proses ini. Memandangkan tikus hidup hanya dua tahun, dan pembentukan penuh otak manusia mengambil masa beberapa dekad, sebarang proses jangka panjang dalam format otak chimeric tidak boleh dikaji. Mungkin masa depan neurosains masih dimiliki oleh otak manusia di akuarium - untuk mengetahui sejauh mana etikanya, saintis hanya perlu belajar cara membaca fikiran, dan teknologi moden nampaknya dapat melakukan ini tidak lama lagi.