Как изследователите изучават човешкия мозък в изолация от тялото

2024 Автор: Malcolm Clapton | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 03:47

Как учените създават модели на човешкия мозък и какви етични въпроси повдигат такова изследване.

Списанието Nature публикува „Етиката на експериментирането с човешка мозъчна тъкан“, колективно писмо на 17 водещи невролози в света, в което учените обсъждат напредъка в разработването на модели на човешкия мозък. Страховете на специалистите са следните: вероятно в близко бъдеще моделите ще станат толкова напреднали, че ще започнат да възпроизвеждат не само структурата, но и функциите на човешкия мозък.

Възможно ли е да се създаде "в епруветка" парче нервна тъкан, което има съзнание? Учените познават структурата на мозъка на животните до най-малкия детайл, но все още не са разбрали кои структури "кодират" съзнанието и как да измерят присъствието му, ако говорим за изолиран мозък или неговото сходство.

Мозък в аквариума

„Представете си, че се събуждате в изолирана камера на сензорна депривация - наоколо няма светлина, няма звук, няма външни стимули. Само вашето съзнание, висящо в празнотата."

Това е картината на етиците, коментиращи изявление на невролога от Йейлския университет Ненад Сестан, че неговият екип е успял да поддържа изолиран свински мозък жив за 36 часа.

Изследователите поддържат живи свински мозъци извън тялото. Докладът за успешен експеримент беше направен на среща на Комитета по етика на Националния здравен институт на САЩ в края на март тази година. Използвайки система с отопляема помпа, наречена BrainEx, и синтетичен кръвен заместител, изследователите поддържат циркулацията на течности и снабдяването с кислород в изолираните мозъци на стотици животни, убити в кланицата няколко часа преди експеримента, каза той.

Органите останаха живи, ако се съди по постоянството на активността на милиарди отделни неврони. Учените обаче не могат да кажат дали свинските мозъци, поставени в "аквариума", са запазили признаци на съзнание. Липсата на електрическа активност, тествана по стандартизиран начин с помощта на електроенцефалограма, убеди Сестан, че „този мозък не се тревожи за нищо“. Възможно е изолираният мозък на животното да е бил в кома, което по-специално може да бъде улеснено от компонентите на разтвора, които го измиват.

Авторите не разкриват подробности за експеримента – подготвят публикация в научно списание. Въпреки това, дори докладът на Сестан, беден с подробности, предизвика голям интерес и много спекулации относно по-нататъшното развитие на технологията. Изглежда, че запазването на мозъка не е много по-трудно технически от запазването на всеки друг орган за трансплантация, като сърцето или бъбреците.

Това означава, че теоретично е възможно човешкият мозък да се запази в повече или по-малко естествено състояние.

Изолираните мозъци биха могли да бъдат добър модел, например, за изследване на лекарства: в края на краищата съществуващите регулаторни ограничения се отнасят за живите хора, а не за отделните органи. От етична гледна точка обаче тук възникват много въпроси. Дори въпросът за мозъчната смърт остава "сива зона" за изследователите - въпреки наличието на официални медицински критерии, има редица подобни състояния, от които все още е възможно връщане към нормална жизнена дейност. Какво можем да кажем за ситуацията, когато твърдим, че мозъкът остава жив. Ами ако мозъкът, изолиран от тялото, продължи да запазва някои или всички личностни черти? Тогава е напълно възможно да си представим ситуацията, описана в началото на статията.

Където се крие съзнанието

Въпреки факта, че до 80-те години на 20-ти век сред учените имаше привърженици на теорията за дуализма, която разделя душата от тялото, в наше време дори философите, изучаващи психиката, са съгласни, че всичко, което наричаме съзнание, се генерира от материалния мозък (история Въпросът може да се прочете по-подробно, например в тази глава Къде е съзнанието: История на проблема и перспективите на търсенето от книгата на нобеловия лауреат Ерик Кандел „В търсене на памет“).

Нещо повече, с модерни техники като функционален магнитен резонанс, учените могат да проследят кои области на мозъка се активират по време на специфични умствени упражнения. Въпреки това концепцията за съзнанието като цяло е твърде ефимерна и учените все още не са съгласни дали то е кодирано от набор от процеси, протичащи в мозъка, или дали определени невронни корелати са отговорни за него.

Както казва Кандел в книгата си, при пациенти с хирургично разделени мозъчни полукълба, съзнанието е разделено на две, всяко от които възприема независима картина на света.

Тези и подобни случаи от неврохирургичната практика показват най-малкото, че за съществуването на съзнанието не е необходима целостта на мозъка като симетрична структура. Някои учени, включително откривателят на структурата на ДНК Франсис Крик, който в края на живота си се интересува от невронауката, смятат, че наличието на съзнание се определя от специфични структури в мозъка.

Може би това са определени невронни вериги, а може би въпросът е в помощните клетки на мозъка - астроцитите, които при хората, в сравнение с другите животни, са доста високоспециализирани. По един или друг начин учените вече са стигнали до точката на моделиране на отделни структури на човешкия мозък in vitro („in vitro“) или дори in vivo (като част от мозъка на животните).

Събудете се в биореактор

Не се знае колко скоро ще се стигне до експерименти върху цели мозъци, извлечени от човешкото тяло – първо невролозите и етиците трябва да се споразумеят за правилата на играта. Въпреки това, в лабораториите в петриевите блюда и биореакторите, възходът на триизмерни човешки мозъчни култури вече разрастват „мини-мозъци“, които имитират структурата на „големия“човешки мозък или неговите специфични части.

В процеса на развитие на ембриона, неговите органи се формират до определени етапи по някаква програма, присъща на гените според принципа на самоорганизация. Нервната система не е изключение. Изследователите открили, че ако диференциацията в клетките на нервната тъкан се индуцира в културата на стволови клетки с помощта на определени вещества, това води до спонтанни пренареждания в клетъчната култура, подобни на тези, които възникват по време на морфогенезата на ембрионалната неврална тръба.

Стволовите клетки, индуцирани по този начин "по подразбиране", се диференцират в крайна сметка в неврони на мозъчната кора, но чрез добавяне на сигнални молекули отвън към паничка на Петри, например, могат да бъдат получени клетки от средния мозък, стриатума или гръбначния мозък. Оказа се, че вътрешен механизъм на кортикогенеза от ембрионални стволови клетки може да се отглежда в съд, истински кортекс, точно както в мозъка, състоящ се от няколко слоя неврони и съдържащ помощни астроцити.

Ясно е, че двуизмерните култури представляват силно опростен модел. Самоорганизиращият се принцип на нервната тъкан помогна на учените бързо да преминат към триизмерни структури, наречени сфероиди и мозъчни органели. Процесът на организация на тъканите може да бъде повлиян от промени в първоначалните условия, като начална плътност на културата и хетерогенност на клетките, както и от екзогенни фактори. Чрез модулиране на активността на определени сигнални каскади е възможно дори да се постигне образуването на напреднали структури в органоида, като оптичната чаша с епитела на ретината, която реагира на клетъчното разнообразие и динамиката на мрежата в фоточувствителните органоиди на човешкия мозък към светлина.

Използването на специален съд и лечение с растежни фактори позволи на учените целенасочено да получат Моделиране на човешката кортикална развитие in vitro с помощта на индуцирани плурипотентни стволови клетки - човешки мозъчен органоид, съответстващ на предния мозък (полукълба) с кора, чието развитие, съдейки по експресията на гени и маркери, съответстваща на първия триместър от развитието на плода …

И учени от Станфорд, водени от Серджиу Паска, са разработили функционални кортикални неврони и астроцити от човешки плурипотентни стволови клетки в 3D култура, начин за отглеждане на бучки, които имитират предния мозък направо в паничка на Петри. Размерът на такива "мозъци" е около 4 милиметра, но след 9-10 месеца съзряване, кортикалните неврони и астроцитите в тази структура отговарят на постнаталното ниво на развитие, тоест нивото на развитие на бебето веднага след раждането.

Важно е, че стволовите клетки за отглеждане на такива структури могат да бъдат взети от конкретни хора, например от пациенти с генетично детерминирани заболявания на нервната система. А напредъкът в генното инженерство предполага, че скоро учените ще могат да наблюдават in vitro развитието на мозъка на неандерталец или денисов.

През 2013 г. изследователи от Института за молекулярна биотехнология на Австрийската академия на науките публикуваха статия Церебралните органоиди моделират развитието на човешкия мозък и микроцефалията, описвайки култивирането на "миниатюрен мозък" от два вида стволови клетки в биореактор, който имитира структура на целия човешки мозък.

Различни зони на органоида съответстват на различни части на мозъка: задна, средна и предна, а „предният мозък“дори показва по-нататъшна диференциация в лобове („полукълба“). Важно е, че в този мини-мозък, който също не надвишава няколко милиметра по размер, учените наблюдават признаци на активност, по-специално колебания в концентрацията на калций вътре в невроните, които служат като индикатор за тяхното възбуждане (можете да прочетете подробно за този експеримент тук).

Целта на учените беше не само да възпроизведат еволюцията на мозъка in vitro, но и да проучат молекулярните процеси, водещи до микроцефалия - аномалия в развитието, която възниква, по-специално, когато ембрионът е заразен с вируса Zika. За това авторите на работата са отгледали същия мини-мозък от клетките на пациента.

Въпреки впечатляващите резултати, учените бяха убедени, че такива органели не са в състояние да осъзнаят нищо. Първо, истинският мозък съдържа около 80 милиарда неврони, а отгледаният органоид съдържа няколко порядъка по-малко. По този начин мини-мозъкът просто не е физически способен да изпълнява напълно функциите на истинския мозък.

На второ място, поради особеностите на развитие "in vitro", някои от неговите структури бяха разположени доста хаотично и образуваха неправилни, нефизиологични връзки помежду си. Ако мини-мозъкът е мислил нещо, то явно е било нещо необичайно за нас.

За да решат проблема с взаимодействието на отделите, невролозите предложиха да се моделира мозъкът на ново ниво, което се нарича "асемблоиди". За тяхното формиране органелите първо се отглеждат отделно, съответстващи на отделни части на мозъка, след което се обединяват.

Този подход учени използваха сглобяването на функционално интегрирани човешки сфероиди на предния мозък, за да проучат как така наречените интерневрони, които се появяват след образуването на по-голямата част от невроните чрез миграция от съседния преден мозък, са включени в кората. Асемблоидите, получени от два вида нервна тъкан, направиха възможно изследването на нарушения в миграцията на интерневрони при пациенти с епилепсия и аутизъм.

Събудете се в тялото на някой друг

Дори и с всички подобрения, възможностите на мозъка в тръба са силно ограничени от три основни условия. Първо, те нямат съдова система, която им позволява да доставят кислород и хранителни вещества до вътрешните си структури. Поради тази причина размерът на мини-мозъците е ограничен от способността на молекулите да дифундират през тъканта. Второ, те нямат имунна система, представена от микроглиални клетки: обикновено тези клетки мигрират към централната нервна система отвън. Трето, структура, растяща в разтвор, няма специфична микросреда, осигурена от тялото, което ограничава броя на сигналните молекули, които достигат до нея. Решението на тези проблеми може да бъде създаването на модели животни с химерни мозъци.

Неотдавнашната работа In vivo модел на функционални и васкуларизирани човешки мозъчни органоиди от американски учени от Института Солк под ръководството на Фред Гейдж описва интегрирането на човешки мозъчен органел (тоест мини-мозък) в мозъка на мишка. За да направят това, учените първо вмъкват гена за зелен флуоресцентен протеин в ДНК на стволовите клетки, така че съдбата на развиващата се нервна тъкан може да се наблюдава с помощта на микроскопия. Органоидите се отглеждат от тези клетки в продължение на 40 дни, които след това се имплантират в кухина в ретроспленалната кора на имунодефицитна мишка. Три месеца по-късно при 80 процента от животните имплантът се вкоренява.

Химерните мозъци на мишките бяха анализирани в продължение на осем месеца. Оказа се, че органоидът, който може лесно да се различи по луминесценцията на флуоресцентен протеин, успешно се интегрира, образува разклонена съдова мрежа, израства аксони и образува синапси с нервните процеси на мозъка на гостоприемника. Освен това клетките на микроглия са се преместили от гостоприемника към импланта. Накрая изследователите потвърдиха функционалната активност на невроните - те показаха електрическа активност и колебания в калция. Така човешкият "мини-мозък" напълно влезе в състава на мозъка на мишката.

Изненадващо, интегрирането на парче човешка нервна тъкан не повлия на поведението на експерименталните мишки. В тест за пространствено учене мишките с химерни мозъци се представиха по същия начин като нормалните мишки и дори имаха по-лоша памет - изследователите обясниха това с факта, че за имплантиране направиха дупка в мозъчната кора.

Независимо от това, целта на тази работа не беше да се получи интелигентна мишка с човешко съзнание, а да се създаде in vivo модел на човешки мозъчни органели, оборудвани със съдова мрежа и микросреда за различни биомедицински цели.

Експеримент от съвсем различен вид беше организиран чрез присаждане на предния мозък от човешки глиални прогениторни клетки, което подобрява синаптичната пластичност и ученето при възрастни мишки от учени от Центъра за транслационна невромедицина към Университета в Рочестър през 2013 г. Както бе споменато по-рано, човешките допълнителни мозъчни клетки (астроцити) са много различни от тези на други животни, по-специално мишки. Поради тази причина изследователите предполагат, че астроцитите играят важна роля в развитието и поддържането на функциите на човешкия мозък. За да тестват как химерен мозък на мишка ще се развие с човешки астроцити, учените засадиха предшественици на помощни клетки в мозъците на миши ембриони.

Оказа се, че в химерен мозък човешките астроцити работят три пъти по-бързо от мишките. Освен това мишките с химерен мозък се оказаха значително по-умни от обикновено в много отношения. Те по-бързо мислеха, учеха по-добре и се движеха в лабиринта. Вероятно химерните мишки не са мислели като хората, но може би са се чувствали на различен етап от еволюцията.

Гризачите обаче далеч не са идеални модели за изучаване на човешкия мозък. Факт е, че човешката нервна тъкан узрява според някакъв вътрешен молекулен часовник и пренасянето й в друг организъм не ускорява този процес. Като се има предвид, че мишките живеят само две години, а пълното формиране на човешкия мозък отнема няколко десетилетия, никакви дългосрочни процеси във формата на химерен мозък не могат да бъдат изследвани. Може би бъдещето на невронауката все още принадлежи на човешките мозъци в аквариумите - за да разберат колко е етично, учените просто трябва да се научат как да четат мисли, а съвременните технологии изглежда ще могат да направят това скоро.