Kako istraživači proučavaju ljudski mozak u izolaciji od tijela

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 03:58

Kako znanstvenici 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 neuroznanstvenika u svijetu, u kojem su znanstvenici 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.

Je li moguće stvoriti "u epruveti" komadić živčanog tkiva koji ima svijest? Znanstvenici poznaju građu mozga životinja do najsitnijih detalja, ali još uvijek nisu shvatili koje strukture "kodiraju" svijest i kako izmjeriti njezinu prisutnost, ako je riječ o izoliranom mozgu ili njegovoj sličnosti.

Mozak u akvariju

“Zamislite da se probudite u izoliranoj komori osjetne deprivacije - okolo nema svjetla, zvuka, vanjskih podražaja. Samo tvoja svijest, koja visi u praznini."

To je slika etičara koji komentiraju izjavu neuroznanstvenika sa Sveučilišta Yale Nenada Šestana da je njegov tim uspio održati izolirani svinjski mozak na životu 36 sati.

Istraživači drže svinjski mozak na životu izvan tijela. Izvješće o uspješnom eksperimentu napravljeno je na sastanku Etičkog odbora američkog Nacionalnog instituta za zdravlje krajem ožujka ove godine. Koristeći sustav grijane pumpe nazvan BrainEx i sintetičku zamjenu za krv, znanstvenici su održavali cirkulaciju tekućine i opskrbu kisikom izoliranim mozgovima stotina životinja ubijenih u klaonici nekoliko sati prije eksperimenta, rekao je.

Organi su ostali živi, sudeći po postojanosti aktivnosti milijardi pojedinačnih neurona. Međutim, znanstvenici ne mogu reći jesu li svinjski mozgovi smješteni u "akvarij" zadržali znakove svijesti. Odsutnost električne aktivnosti, testirana na standardizirani način pomoću elektroencefalograma, uvjerila 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 su ga ispirale.

Autori ne otkrivaju detalje eksperimenta – pripremaju objavu u znanstvenom časopisu. Ipak, čak je i Šestanov izvještaj, siromašan detaljima, izazvao veliki interes i mnogo nagađanja o daljnjem razvoju tehnologije. Čini se da očuvanje mozga tehnički nije puno teže od očuvanja bilo kojeg drugog organa za transplantaciju, poput srca ili bubrega.

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

Izolirani mozgovi mogli bi biti dobar model, na primjer, za istraživanje lijekova: uostalom, postojeća regulatorna ograničenja odnose se na žive ljude, a ne na pojedinačne organe. Međutim, s etičkog stajališta, 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. Što možemo reći o situaciji kada tvrdimo da mozak ostaje živ. Što ako mozak, izoliran od tijela, nastavi zadržati neke ili sve osobine ličnosti? Tada je sasvim moguće zamisliti situaciju opisanu na početku članka.

Gdje vreba svijest

Unatoč činjenici da su sve do 80-ih godina 20. stoljeća među znanstvenicima postojali pristaše teorije dualizma, koja odvaja dušu od tijela, u naše vrijeme čak se i filozofi koji proučavaju psihu slažu da je sve što nazivamo sviješću generirano. materijalnim mozgom (povijest Pitanje se može detaljnije pročitati, na primjer, u ovom poglavlju Gdje je svijest: povijest problema i perspektive traženja iz knjige nobelovca Erica Kandela "U potrazi za pamćenjem").

Štoviše, uz moderne tehnike kao što je funkcionalna magnetska rezonancija, znanstvenici mogu pratiti koja se područja mozga aktiviraju tijekom određenih mentalnih vježbi. Ipak, koncept svijesti kao cjeline previše je prolazan, a znanstvenici se još uvijek ne slažu oko toga je li kodiran skupom procesa koji se odvijaju u mozgu ili su za to odgovorni određeni neuralni korelati.

Kako Kandel kaže u svojoj knjizi, kod pacijenata s kirurški odvojenim moždanim hemisferama svijest je podijeljena na dvije, od kojih svaka percipira neovisnu sliku svijeta.

Ovi i slični slučajevi iz neurokirurške prakse ukazuju barem na to da za postojanje svijesti nije potreban integritet mozga kao simetrične strukture. Neki znanstvenici, uključujući i otkrića strukture DNK Francisa Cricka, koji se na kraju života zainteresirao za neuroznanost, vjeruju da je prisutnost svijesti određena specifičnim strukturama u mozgu.

Možda je riječ o određenim neuralnim krugovima, ili je možda stvar u pomoćnim stanicama mozga - astrocitima, koji su kod ljudi, u usporedbi s drugim životinjama, 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 uskoro doći do pokusa na cijelim mozgovima izvađenim iz ljudskog tijela – prvo se neuroznanstvenici i etičari moraju dogovoriti oko pravila igre. Ipak, u laboratorijima u Petrijevim zdjelicama 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 se organi formiraju do određenih faza prema nekom programu svojstvenom genima prema principu samoorganizacije. Živčani sustav nije iznimka. Istraživači su otkrili da ako se u kulturi matičnih stanica uz pomoć određenih supstanci inducira diferencijacija u stanice živčanog tkiva, to dovodi do spontanih preuređivanja u staničnoj kulturi, sličnih onima do kojih dolazi tijekom morfogeneze embrionalne neuralne cijevi.

Matične stanice inducirane na ovaj način "standardno" se u konačnici diferenciraju u neurone moždane kore, međutim, dodavanjem signalnih molekula izvana u Petrijevu zdjelicu, na primjer, mogu se dobiti stanice srednjeg mozga, strijatuma ili leđne 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 živčanog tkiva pomogao je znanstvenicima da brzo prijeđu na trodimenzionalne strukture zvane sferoidi i cerebralne organele. Na proces organizacije tkiva mogu utjecati promjene početnih uvjeta, kao što su početna gustoća kulture i heterogenost stanica, te egzogeni čimbenici. Moduliranjem aktivnosti određenih signalnih kaskada moguće je čak postići stvaranje naprednih struktura u organoidu, kao što je optička čašica s epitelom retine, koja reagira na raznolikost stanica i dinamiku mreže u fotoosjetljivim organoidima ljudskog mozga na svjetlost.

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

A znanstvenici sa Stanforda, predvođeni Sergiuom Pascom, razvili su funkcionalne kortikalne neurone i astrocite iz ljudskih pluripotentnih matičnih stanica u 3D kulturi, način za uzgoj nakupina koje oponašaju prednji mozak u Petrijevoj zdjelici. Veličina takvih "mozaga" je oko 4 milimetra, ali nakon 9-10 mjeseci sazrijevanja, kortikalni neuroni i astrociti u ovoj strukturi odgovaraju postnatalnoj razini razvoja, odnosno razini razvoja bebe neposredno nakon rođenja.

Važno je da se matične stanice za uzgoj takvih struktura mogu uzeti od određenih ljudi, na primjer, od pacijenata s genetski određenim bolestima živčanog sustava. A napredak u genetskom inženjeringu sugerira da će znanstvenici uskoro moći promatrati in vitro razvoj mozga neandertalca ili denisovanca.

Godine 2013. istraživači s Instituta za molekularnu biotehnologiju Austrijske akademije znanosti objavili su 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 daljnju diferencijaciju u režnjeve ("hemisfere"). Važno je da su u ovom mini-mozgu, koji također nije bio veći od nekoliko milimetara, znanstvenici uočili znakove aktivnosti, posebno fluktuacije u koncentraciji kalcija unutar neurona, koji služe kao pokazatelj njihove ekscitacije (možete pročitati detaljno o ovom eksperimentu ovdje).

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

Unatoč impresivnim rezultatima, znanstvenici su bili uvjereni da takve organele nisu sposobne ništa realizirati. 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 osobitosti razvoja "in vitro", neke od njegovih struktura bile su smještene prilično kaotično i formirale su netočne, 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 novoj razini, koja se naziva "assembloidi". Za njihovo stvaranje, organele se najprije uzgajaju zasebno, koje odgovaraju pojedinim dijelovima mozga, a zatim se spajaju.

Ovim pristupom znanstvenici su koristili skup funkcionalno integriranih sferoida ljudskog prednjeg mozga kako bi proučili kako su takozvani interneuroni, koji se pojavljuju nakon formiranja najvećeg dijela neurona migracijom iz susjednog prednjeg mozga, ugrađeni u korteks. Asembloidi dobiveni iz dvije vrste živčanog tkiva omogućili su proučavanje poremećaja u migraciji interneurona u bolesnika s epilepsijom i autizmom.

Probudite se u tuđem tijelu

Čak i uz sva poboljšanja, mogućnosti mozga u cijevi ozbiljno su ograničene trima temeljnim uvjetima. Prvo, nemaju krvožilni sustav koji im omogućuje isporuku kisika i hranjivih tvari u njihove unutarnje strukture. Iz tog razloga, veličina mini-mozaga ograničena je sposobnošću molekula da difundiraju kroz tkivo. Drugo, nemaju imunološki sustav, predstavljen mikroglijalnim stanicama: normalno te stanice izvana migriraju u središnji živčani sustav. Treće, struktura koja raste u otopini nema specifično mikrookruženje koje pruža tijelo, što ograničava broj signalnih molekula koje do nje dopiru. Rješenje ovih problema moglo bi biti stvaranje modela životinja s himernim mozgom.

Nedavni rad In vivo model funkcionalnih i vaskulariziranih organoida ljudskog mozga američkih znanstvenika s Instituta Salk pod vodstvom Freda Gagea opisuje integraciju ljudske moždane organele (to jest, mini-mozak) u mozak miša. Kako bi to učinili, znanstvenici su najprije u DNK matičnih stanica ubacili gen za zeleni fluorescentni protein kako bi se mikroskopom mogla promatrati sudbina živčanog tkiva u razvoju. Organoidi su uzgajani iz ovih stanica tijekom 40 dana, a zatim su implantirani u šupljinu u retrosplenalnom korteksu imunodeficijentnog miša. Tri mjeseca kasnije, u 80 posto životinja implantat se ukorijenio.

Himerni 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 živčanim procesima mozga domaćina. Osim toga, stanice mikroglije su se preselile s domaćina na implantat. Konačno, istraživači su potvrdili funkcionalnu aktivnost neurona – pokazali su električnu aktivnost i fluktuacije kalcija. Tako je ljudski "mini-mozak" u potpunosti ušao u sastav mišjeg mozga.

Začudo, integracija dijela ljudskog živčanog tkiva nije utjecala na ponašanje pokusnih miševa. U testu za prostorno učenje, miševi s himernim mozgom pokazali su se isto kao i normalni miševi, a imali su čak i lošiju memoriju - znanstvenici su to objasnili činjenicom da su za implantaciju napravili rupu u moždanoj kori.

Ipak, cilj ovog rada nije bio dobiti inteligentnog miša s ljudskom sviješću, već stvoriti in vivo model ljudskih moždanih organela opremljenih vaskularnom mrežom i mikrookruženjem za različite biomedicinske svrhe.

Eksperiment potpuno drugačije vrste znanstvenici u Centru za translacijsku neuromedicinu na Sveučilištu u Rochesteru 2013. godine upriličili su usađivanjem prednjeg mozga ljudskim glijalnim progenitorskim stanicama koje poboljšavaju sinaptičku plastičnost i učenje kod odraslih miševa. Kao što je ranije spomenuto, ljudske pomoćne moždane stanice (astrociti) vrlo se razlikuju od onih drugih životinja, posebice 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 mišjih embrija.

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

Međutim, glodavci su daleko od idealnih modela za proučavanje ljudskog mozga. Činjenica je da ljudsko živčano tkivo sazrijeva prema nekom unutarnjem molekularnom satu, a njegov prijenos u drugi organizam ne ubrzava taj proces. S obzirom da miševi žive samo dvije godine, a potpuno formiranje ljudskog mozga traje nekoliko desetljeća, ne mogu se proučavati bilo kakvi dugotrajni procesi u formatu himernog mozga. Možda budućnost neuroznanosti još uvijek pripada ljudskim mozgovima u akvarijima – da bi saznali koliko je to etično, znanstvenici samo trebaju naučiti čitati misli, a čini se da će moderna tehnologija to uskoro moći.