Ako vedci skúmajú ľudský mozog izolovane od tela

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 04:09

Ako vedci vytvárajú modely ľudského mozgu a aké etické problémy takýto výskum vyvoláva.

Časopis Nature publikoval The ethics of experimenting with human brain tissue, kolektívny list 17 popredných neurovedcov na svete, v ktorom vedci diskutovali o pokroku vo vývoji modelov ľudského mozgu. Obavy špecialistov sú nasledovné: pravdepodobne v blízkej budúcnosti budú modely natoľko pokročilé, že začnú reprodukovať nielen štruktúru, ale aj funkcie ľudského mozgu.

Je možné vytvoriť "v skúmavke" kúsok nervového tkaniva, ktorý má vedomie? Vedci poznajú štruktúru mozgu zvierat do najmenších detailov, no stále neprišli na to, ktoré štruktúry „kódujú“vedomie a ako zmerať jeho prítomnosť, ak hovoríme o izolovanom mozgu alebo o jeho podobnosti.

Mozog v akváriu

„Predstavte si, že sa zobudíte v izolovanej zmyslovej deprivačnej komore – okolo nie je žiadne svetlo, žiadny zvuk, žiadne vonkajšie podnety. Len tvoje vedomie, visiace v prázdnote."

To je obrázok etických odborníkov, ktorí komentujú vyhlásenie neurovedca Nenada Sestana z Yale University, že jeho tím bol schopný udržať izolovaný prasací mozog pri živote 36 hodín.

Výskumníci udržiavajú mozgy ošípaných pri živote mimo tela Správa o úspešnom experimente bola urobená na stretnutí Etického výboru amerického Národného inštitútu zdravia koncom marca tohto roku. Pomocou vyhrievaného pumpového systému nazývaného BrainEx a syntetickej krvnej náhrady vedci udržiavali cirkuláciu tekutín a prísun kyslíka do izolovaných mozgov stoviek zvierat zabitých na bitúnku niekoľko hodín pred experimentom, povedal.

Orgány zostali nažive, súdiac podľa pretrvávania aktivity miliárd jednotlivých neurónov. Vedci však nevedia povedať, či si prasacie mozgy umiestnené v „akváriu“zachovali známky vedomia. Absencia elektrickej aktivity, testovaná štandardizovaným spôsobom pomocou elektroencefalogramu, presvedčila Sestana, že „tento mozog sa ničoho nebojí“. Je možné, že izolovaný mozog zvieraťa bol v kóme, k čomu mohli prispieť najmä zložky roztoku, ktoré ho umývali.

Podrobnosti experimentu autori nezverejňujú – pripravujú publikáciu vo vedeckom časopise. Napriek tomu aj Sestanova správa, chudobná na detaily, vzbudila veľký záujem a množstvo špekulácií o ďalšom vývoji technológie. Zdá sa, že zachovanie mozgu nie je technicky oveľa náročnejšie ako uchovanie akéhokoľvek iného orgánu na transplantáciu, ako je srdce alebo oblička.

To znamená, že teoreticky je možné zachovať ľudský mozog vo viac-menej prirodzenom stave.

Izolované mozgy by mohli byť dobrým modelom napríklad na výskum liekov: napokon existujúce regulačné obmedzenia sa vzťahujú na živých ľudí, a nie na jednotlivé orgány. Z etického hľadiska tu však vyvstáva veľa otázok. Aj otázka mozgovej smrti zostáva pre výskumníkov „šedou zónou“– napriek existencii formálnych medicínskych kritérií existuje množstvo podobných stavov, z ktorých je ešte možný návrat k normálnej životnej aktivite. Čo môžeme povedať o situácii, keď tvrdíme, že mozog zostáva nažive. Čo ak si mozog, izolovaný od tela, naďalej zachováva niektoré alebo všetky osobnostné črty? Potom je celkom možné si predstaviť situáciu opísanú na začiatku článku.

Kde číha vedomie

Napriek tomu, že až do 80-tych rokov 20. storočia boli medzi vedcami zástancovia teórie dualizmu, ktorý oddeľuje dušu od tela, v súčasnosti sa už aj filozofi študujúci psychiku zhodujú v tom, že všetko, čo nazývame vedomie, je generované. hmotným mozgom (história Otázku si možno podrobnejšie prečítať napr. v tejto kapitole Where is Consciousness: History of the Issue and Prospects of Search z knihy nositeľa Nobelovej ceny Erica Kandela „In Search of Memory“).

Ba čo viac, pomocou moderných techník, ako je funkčná magnetická rezonancia, môžu vedci sledovať, ktoré oblasti mozgu sa aktivujú počas špecifických mentálnych cvičení. Napriek tomu je koncept vedomia ako celku príliš efemérny a vedci sa stále nezhodujú v tom, či je zakódované súborom procesov prebiehajúcich v mozgu, alebo sú za to zodpovedné určité nervové koreláty.

Ako hovorí Kandel vo svojej knihe, u pacientov s chirurgicky oddelenými mozgovými hemisférami je vedomie rozdelené na dve časti, z ktorých každá vníma samostatný obraz sveta.

Tieto a podobné prípady z neurochirurgickej praxe svedčia prinajmenšom o tom, že pre existenciu vedomia nie je potrebná celistvosť mozgu ako symetrickej štruktúry. Niektorí vedci, vrátane objaviteľa štruktúry DNA Francisa Cricka, ktorý sa na sklonku života začal zaujímať o neurovedu, sa domnievajú, že prítomnosť vedomia určujú špecifické štruktúry v mozgu.

Možno ide o určité nervové okruhy, alebo možno ide o pomocné bunky mozgu – astrocyty, ktoré sú u ľudí v porovnaní s inými živočíchmi dosť vysoko špecializované. Tak či onak, vedci už dospeli k tomu, že modelujú jednotlivé štruktúry ľudského mozgu in vitro („in vitro“) alebo dokonca in vivo (ako súčasť mozgu zvierat).

Zobuď sa v bioreaktore

Nie je známe, ako skoro príde na experimenty na celých mozgoch extrahovaných z ľudského tela – najskôr sa musia neurovedci a etici dohodnúť na pravidlách hry. Napriek tomu v laboratóriách v Petriho miskách a bioreaktoroch rast trojrozmerných kultúr ľudského mozgu už rastú „minimozgy“, ktoré napodobňujú štruktúru „veľkého“ľudského mozgu alebo jeho špecifických častí.

V procese vývoja embrya sa jeho orgány tvoria až do určitých štádií podľa nejakého programu vlastného génu podľa princípu samoorganizácie. Nervový systém nie je výnimkou. Vedci zistili, že ak sa diferenciácia na bunky nervového tkaniva indukuje v kultúre kmeňových buniek pomocou určitých látok, vedie to k spontánnym preskupeniam v bunkovej kultúre, podobným tým, ktoré sa vyskytujú počas morfogenézy embryonálnej nervovej trubice.

Takto indukované kmeňové bunky sa „štandardne“diferencujú v konečnom dôsledku na neuróny mozgovej kôry, avšak pridaním signálnych molekúl zvonku do Petriho misky sa dajú získať napríklad bunky stredného mozgu, striata alebo miechy. Ukázalo sa, že vnútorný mechanizmus kortikogenézy z embryonálnych kmeňových buniek možno pestovať v miske, skutočnej kôre, podobne ako v mozgu, pozostávajúcej z niekoľkých vrstiev neurónov a obsahujúcej pomocné astrocyty.

Je jasné, že dvojrozmerné kultúry predstavujú veľmi zjednodušený model. Samoorganizujúci sa princíp nervového tkaniva pomohol vedcom rýchlo prejsť k trojrozmerným štruktúram nazývaným sféroidy a mozgové organely. Proces organizácie tkaniva môže byť ovplyvnený zmenami počiatočných podmienok, ako je počiatočná hustota kultúry a heterogenita buniek, a exogénnymi faktormi. Moduláciou aktivity určitých signálnych kaskád je dokonca možné dosiahnuť tvorbu pokročilých štruktúr v organoide, ako je napríklad optický pohárik s epitelom sietnice, ktorý reaguje na diverzitu buniek a dynamiku siete vo fotosenzitívnych organoidoch ľudského mozgu na svetlo.

Použitie špeciálnej nádoby a ošetrenie rastovými faktormi umožnilo vedcom cielene získať Modelovanie vývoja ľudskej kôry in vitro pomocou indukovaných pluripotentných kmeňových buniek - ľudský mozgový organoid zodpovedajúci prednému mozgu (hemisfére) s kôrou, ktorej vývoj, súdiac podľa expresia génov a markerov, zodpovedala prvému trimestru vývoja plodu …

Vedci zo Stanfordu pod vedením Sergiu Pasca vyvinuli funkčné kortikálne neuróny a astrocyty z ľudských pluripotentných kmeňových buniek v 3D kultúre, čo je spôsob, ako pestovať zhluky, ktoré napodobňujú predný mozog priamo v Petriho miske. Veľkosť takýchto "mozgov" je asi 4 milimetre, ale po 9-10 mesiacoch dozrievania kortikálne neuróny a astrocyty v tejto štruktúre zodpovedajú postnatálnej úrovni vývoja, to znamená úrovni vývoja dieťaťa bezprostredne po narodení.

Dôležité je, že kmeňové bunky na pestovanie takýchto štruktúr možno odoberať od konkrétnych ľudí, napríklad od pacientov s geneticky podmienenými ochoreniami nervového systému. A pokroky v genetickom inžinierstve naznačujú, že vedci budú môcť čoskoro in vitro pozorovať vývoj mozgu neandertálca alebo denisovana.

V roku 2013 vedci z Ústavu pre molekulárnu biotechnológiu Rakúskej akadémie vied publikovali článok Cerebrálne organoidy modelujú vývoj ľudského mozgu a mikrocefáliu, v ktorom popisujú kultiváciu „miniatúrneho mozgu“z dvoch typov kmeňových buniek v bioreaktore, ktorý napodobňuje tzv. štruktúra celého ľudského mozgu.

Rôzne zóny organoidu zodpovedali rôznym častiam mozgu: zadné, stredné a predné a „predný mozog“dokonca vykazoval ďalšiu diferenciáciu na laloky („hemisféry“). Dôležité je, že v tomto minimozgu, ktorý tiež nepresahoval niekoľko milimetrov, vedci pozorovali známky aktivity, najmä kolísanie koncentrácie vápnika vo vnútri neurónov, ktoré slúžia ako indikátor ich excitácie (podrobne si môžete prečítať o tomto experimente tu).

Cieľom vedcov bolo nielen reprodukovať evolúciu mozgu in vitro, ale aj študovať molekulárne procesy vedúce k mikrocefálii – vývojovej abnormalite, ktorá vzniká najmä vtedy, keď je embryo infikované vírusom Zika. Na to autori práce vypestovali rovnaký minimozog z buniek pacienta.

Napriek pôsobivým výsledkom boli vedci presvedčení, že takéto organely nie sú schopné nič realizovať. Po prvé, skutočný mozog obsahuje asi 80 miliárd neurónov a pestovaný organoid obsahuje o niekoľko rádov menej. Minimozog teda jednoducho nie je fyzicky schopný plne vykonávať funkcie skutočného mozgu.

Po druhé, kvôli zvláštnostiam vývoja „in vitro“boli niektoré jeho štruktúry umiestnené dosť chaoticky a tvorili medzi sebou nesprávne, nefyziologické spojenia. Ak si minimozog niečo myslel, bolo to pre nás jednoznačne niečo nezvyčajné.

Aby sa vyriešil problém interakcie oddelení, neurovedci navrhli modelovať mozog na novej úrovni, ktorá sa nazýva "assembly". Na ich vznik sa najprv oddelene pestujú organely zodpovedajúce jednotlivým častiam mozgu a potom sa spájajú.

Tento prístup vedci použili zostavu funkčne integrovaných sféroidov ľudského predného mozgu na štúdium toho, ako sa takzvané interneuróny, ktoré sa objavia po vytvorení väčšiny neurónov migráciou zo susedného predného mozgu, začlenia do kôry. Asembloidy získané z dvoch typov nervového tkaniva umožnili študovať poruchy migrácie interneurónov u pacientov s epilepsiou a autizmom.

Prebuďte sa v tele niekoho iného

Dokonca aj so všetkými vylepšeniami sú schopnosti brain-in-a-tube vážne obmedzené tromi základnými podmienkami. Po prvé, nemajú cievny systém, ktorý im umožňuje dodávať kyslík a živiny do ich vnútorných štruktúr. Z tohto dôvodu je veľkosť minimozgov obmedzená schopnosťou molekúl difundovať cez tkanivo. Po druhé, nemajú imunitný systém, reprezentovaný mikrogliálnymi bunkami: normálne tieto bunky migrujú do centrálneho nervového systému zvonku. Po tretie, štruktúra rastúca v roztoku nemá špecifické mikroprostredie poskytované telom, čo obmedzuje počet signálnych molekúl, ktoré sa k nej dostanú. Riešením týchto problémov by mohlo byť vytvorenie modelových zvierat s chimérickým mozgom.

Nedávna práca An in vivo model funkčných a vaskularizovaných ľudských mozgových organoidov od amerických vedcov zo Salk Institute pod vedením Freda Gagea opisuje integráciu ľudskej mozgovej organely (čiže minimozgu) do mozgu myši.. Aby sa to podarilo, vedci najskôr vložili gén pre zelený fluorescenčný proteín do DNA kmeňových buniek, aby bolo možné pomocou mikroskopu pozorovať osud vyvíjajúceho sa nervového tkaniva. Organoidy boli pestované z týchto buniek počas 40 dní, ktoré boli potom implantované do dutiny v retrosplenalálnom kortexe imunodeficientnej myši. O tri mesiace neskôr sa u 80 percent zvierat implantát zakorenil.

Chimérické mozgy myší boli analyzované počas ôsmich mesiacov. Ukázalo sa, že organoid, ktorý sa dal ľahko rozlíšiť podľa luminiscencie fluorescenčného proteínu, sa úspešne integroval, vytvoril rozvetvenú vaskulárnu sieť, rástli axóny a vytvárali synapsie s nervovými procesmi mozgu hostiteľa. Okrem toho sa bunky mikroglie presunuli z hostiteľa do implantátu. Nakoniec vedci potvrdili funkčnú aktivitu neurónov – vykazovali elektrickú aktivitu a kolísanie vápnika. Do zloženia myšacieho mozgu teda naplno vstúpil ľudský „minimozog“.

Prekvapivo integrácia kúska ľudského nervového tkaniva neovplyvnila správanie experimentálnych myší. V teste priestorového učenia sa myšiam s chimérickým mozgom darilo rovnako ako normálnym myšiam, dokonca mali horšiu pamäť – vedci to vysvetlili tým, že na implantáciu urobili dieru do mozgovej kôry.

Cieľom tejto práce však nebolo získať inteligentnú myš s ľudským vedomím, ale vytvoriť in vivo model ľudských mozgových organel vybavených cievnou sieťou a mikroprostredím na rôzne biomedicínske účely.

Experiment úplne iného druhu zinscenovali vedci z Centra translačnej neuromedicíny na Rochesterskej univerzite v roku 2013, keď vedci z Centra translačnej neuromedicíny na Univerzite v Rochesteri zinscenovali prihojenie predného mozgu ľudskými gliovými progenitorovými bunkami, ktoré zvyšuje synaptickú plasticitu a učenie u dospelých myší. Ako už bolo spomenuté, ľudské doplnkové mozgové bunky (astrocyty) sú veľmi odlišné od buniek iných zvierat, najmä myší. Z tohto dôvodu výskumníci naznačujú, že astrocyty hrajú dôležitú úlohu vo vývoji a udržiavaní funkcií ľudského mozgu. Aby vedci otestovali, ako sa bude vyvíjať chimérický myšací mozog s ľudskými astrocytmi, zasadili prekurzory pomocných buniek do mozgu myších embryí.

Ukázalo sa, že v chimérickom mozgu ľudské astrocyty pracujú trikrát rýchlejšie ako myši. Navyše sa ukázalo, že myši s chimérickým mozgom sú v mnohých ohľadoch výrazne inteligentnejšie ako zvyčajne. Boli rýchlejšie myslieť, lepšie sa učiť a pohybovať sa v bludisku. Chimérické myši pravdepodobne nerozmýšľali ako ľudia, ale možno sa mohli cítiť v inom štádiu vývoja.

Hlodavce však majú ďaleko od ideálnych modelov na štúdium ľudského mozgu. Faktom je, že ľudské nervové tkanivo dozrieva podľa nejakých vnútorných molekulárnych hodín a jeho prenos do iného organizmu tento proces neurýchli. Vzhľadom na to, že myši žijú iba dva roky a úplné vytvorenie ľudského mozgu trvá niekoľko desaťročí, žiadne dlhodobé procesy vo formáte chimérického mozgu nemožno študovať. Možno, že budúcnosť neurovedy stále patrí ľudským mozgom v akváriách – aby zistili, aké je to etické, vedci sa musia len naučiť čítať myšlienky a zdá sa, že moderné technológie to čoskoro dokážu.