Hoe navorsers die menslike brein in isolasie van die liggaam bestudeer

2024 Outeur: Malcolm Clapton | [email protected]. Laas verander: 2023-12-17 03:44

Hoe wetenskaplikes modelle van die menslike brein skep en watter etiese kwessies sulke navorsing na vore bring.

Die tydskrif Nature het The ethics of experimenting with human brain tissue gepubliseer,’n kollektiewe brief van 17 vooraanstaande neurowetenskaplikes in die wêreld, waarin wetenskaplikes vordering in die ontwikkeling van menslike breinmodelle bespreek het. Die vrese van spesialiste is soos volg: waarskynlik in die nabye toekoms sal die modelle so gevorderd word dat hulle nie net die struktuur nie, maar ook die funksies van die menslike brein sal begin reproduseer.

Is dit moontlik om "in 'n proefbuis" 'n stuk senuweeweefsel te skep wat bewussyn het? Wetenskaplikes ken die struktuur van die brein van diere in die kleinste besonderhede, maar het steeds nie uitgepluis watter strukture bewussyn "kodeer" en hoe om die teenwoordigheid daarvan te meet, as ons praat van 'n geïsoleerde brein of sy ooreenkoms nie.

Brein in die akwarium

"Stel jou voor dat jy wakker word in 'n geïsoleerde sensoriese ontnemingskamer - daar is geen lig, geen klank, geen eksterne stimuli rondom nie. Net jou bewussyn, wat in die leemte hang."

Dit is die prentjie van etici wat kommentaar lewer op 'n verklaring deur die neurowetenskaplike van die Yale-universiteit Nenad Sestan dat sy span 'n geïsoleerde varkbrein vir 36 uur aan die lewe kon hou.

Die Navorsers hou varkbreine lewendig buite die liggaam verslag van 'n suksesvolle eksperiment is gemaak by 'n vergadering van die Etiese Komitee van die Amerikaanse National Institutes of Health aan die einde van Maart vanjaar. Met behulp van 'n verhitte pompstelsel genaamd BrainEx en 'n sintetiese bloedvervanger, het die navorsers vloeistofsirkulasie en suurstoftoevoer na die geïsoleerde breine van honderde diere wat 'n paar uur voor die eksperiment doodgemaak is in 'n slaghuis gehandhaaf, het hy gesê.

Die organe het lewendig gebly, te oordeel aan die volharding van die aktiwiteit van miljarde individuele neurone. Wetenskaplikes kan egter nie sê of die varkbreine wat in die "akwarium" geplaas is, tekens van bewussyn behou het nie. Die afwesigheid van elektriese aktiwiteit, wat op 'n gestandaardiseerde wyse met behulp van 'n elektro-enfalogram getoets is, het Sestan oortuig dat "hierdie brein oor niks bekommerd is nie." Dit is moontlik dat die geïsoleerde brein van die dier in 'n koma was, wat veral vergemaklik kon word deur die komponente van die oplossing wat dit was.

Die skrywers maak nie die besonderhede van die eksperiment bekend nie - hulle is besig om 'n publikasie in 'n wetenskaplike tydskrif voor te berei. Nietemin het selfs Sestan se verslag, arm aan besonderhede, groot belangstelling en baie bespiegeling oor die verdere ontwikkeling van die tegnologie uitgelok. Dit blyk dat die behoud van die brein nie tegnies veel moeiliker is as om enige ander orgaan vir oorplanting, soos die hart of nier, te bewaar.

Dit beteken dat dit teoreties moontlik is om die menslike brein in 'n min of meer natuurlike toestand te bewaar.

Geïsoleerde breine kan 'n goeie model wees, byvoorbeeld om dwelms na te vors: bestaande regulatoriese beperkings geld immers vir lewende mense, en nie op individuele organe nie. Uit 'n etiese oogpunt kom daar egter baie vrae hier. Selfs die kwessie van breindood bly 'n "grys area" vir navorsers - ten spyte van die bestaan van formele mediese kriteria, is daar 'n aantal soortgelyke toestande, waaruit 'n terugkeer na normale lewensaktiwiteit steeds moontlik is. Wat kan ons sê oor die situasie wanneer ons beweer dat die brein lewendig bly. Wat as die brein, geïsoleer van die liggaam, aanhou om sommige of al die persoonlikheidseienskappe te behou? Dan is dit heel moontlik om die situasie wat aan die begin van die artikel beskryf word, voor te stel.

Waar bewussyn skuil

Ten spyte van die feit dat daar tot die 80's van die 20ste eeu ondersteuners was van die teorie van dualisme, wat die siel van die liggaam skei, onder wetenskaplikes, in ons tyd, stem selfs filosowe wat die psige bestudeer saam dat alles wat ons bewussyn noem, gegenereer word. deur die materiële brein (geskiedenis Die vraag kan byvoorbeeld in meer besonderhede gelees word in hierdie hoofstuk Where is Consciousness: History of the Issue and Prospects of Search uit die boek van Nobelpryswenner Eric Kandel "In Search of Memory").

Wat meer is, met moderne tegnieke soos funksionele magnetiese resonansiebeelding, kan wetenskaplikes naspoor watter areas van die brein tydens spesifieke geestelike oefeninge geaktiveer word. Nietemin is die konsep van bewussyn as 'n geheel te kortstondig, en wetenskaplikes stem steeds nie saam of dit deur 'n stel prosesse wat in die brein plaasvind gekodeer word, en of sekere neurale korrelate daarvoor verantwoordelik is nie.

Soos Kandel in sy boek sê, by pasiënte met chirurgies geskeide serebrale hemisfere, word bewussyn in twee verdeel, wat elkeen 'n onafhanklike beeld van die wêreld waarneem.

Hierdie en soortgelyke gevalle uit neurochirurgiese praktyk dui ten minste aan dat vir die bestaan van bewussyn, die integriteit van die brein as 'n simmetriese struktuur nie vereis word nie. Sommige wetenskaplikes, insluitend die ontdekker van die struktuur van DNS Francis Crick, wat aan die einde van sy lewe in neurowetenskap begin belangstel het, glo dat die teenwoordigheid van bewussyn deur spesifieke strukture in die brein bepaal word.

Miskien is dit sekere neurale stroombane, of miskien is die punt in die hulpselle van die brein - astrasiete, wat by mense, in vergelyking met ander diere, taamlik hoogs gespesialiseerd is. Op een of ander manier het wetenskaplikes reeds die punt bereik om individuele strukture van die menslike brein in vitro (“in vitro”) of selfs in vivo (as deel van die brein van diere) te modelleer.

Word wakker in 'n bioreaktor

Dit is nie bekend hoe gou dit gaan kom by eksperimente op heelbreine wat uit die menslike liggaam onttrek is nie – eerstens moet neurowetenskaplikes en etici saamstem oor die spelreëls. Nietemin, in laboratoriums in Petri-skottels en bioreaktors, groei die opkoms van driedimensionele menslike breinkulture reeds "mini-breine" wat die struktuur van die "groot" menslike brein of sy spesifieke dele naboots.

In die proses van ontwikkeling van die embrio word sy organe tot sekere stadiums gevorm volgens een of ander program wat inherent is aan die gene volgens die beginsel van selforganisasie. Die senuweestelsel is geen uitsondering nie. Die navorsers het bevind dat as differensiasie in selle van die senuweeweefsel in stamselkultuur met behulp van sekere stowwe geïnduseer word, dit tot spontane herrangskikkings in selkultuur lei, soortgelyk aan dié wat tydens morfogenese van die embrioniese neuraalbuis plaasvind.

Stamselle wat op hierdie manier "by verstek" geïnduseer word, differensieer uiteindelik in neurone van die serebrale korteks, maar deur seinmolekules van buite by 'n Petri-skottel te voeg, kan selle van die middelbrein, striatum of rugmurg byvoorbeeld verkry word. Dit het geblyk dat 'n intrinsieke meganisme van kortikogenese van embrioniese stamselle in 'n skottel gekweek kan word, 'n regte korteks, net soos in die brein, wat uit verskeie lae neurone bestaan en wat hulpastrosiete bevat.

Dit is duidelik dat tweedimensionele kulture 'n hoogs vereenvoudigde model verteenwoordig. Die selforganiserende beginsel van senuweeweefsel het wetenskaplikes gehelp om vinnig na driedimensionele strukture te beweeg wat sferoïede en serebrale organelle genoem word. Die proses van weefselorganisasie kan beïnvloed word deur veranderinge in aanvanklike toestande, soos aanvanklike kultuurdigtheid en selheterogeniteit, en deur eksogene faktore. Deur die aktiwiteit van sekere seinkaskades te moduleer, is dit selfs moontlik om die vorming van gevorderde strukture in die organoïde te bewerkstellig, soos die optiese beker met die retinale epiteel, wat Seldiversiteit en netwerkdinamika in fotosensitiewe menslike breinorganoïede op lig reageer.

Die gebruik van 'n spesiale vat en behandeling met groeifaktore het wetenskaplikes in staat gestel om doelgerig Modellering van menslike kortikale ontwikkeling in vitro te verkry deur gebruik te maak van geïnduseerde pluripotente stamselle - 'n menslike serebrale organoïed wat ooreenstem met die voorbrein (hemisfere) met 'n korteks, waarvan die ontwikkeling, te oordeel aan die uitdrukking van gene en merkers, stem ooreen met die eerste trimester van fetale ontwikkeling …

En wetenskaplikes van Stanford, onder leiding van Sergiu Pasca, het funksionele kortikale neurone en astrasiete van menslike pluripotente stamselle in 3D-kultuur ontwikkel, 'n manier om klompe te laat groei wat die voorbrein reg in 'n Petri-skottel naboots. Die grootte van sulke "breine" is ongeveer 4 millimeter, maar na 9-10 maande van rypwording stem kortikale neurone en astrasiete in hierdie struktuur ooreen met die postnatale vlak van ontwikkeling, dit wil sê die vlak van ontwikkeling van die baba onmiddellik na geboorte.

Wat belangrik is, is dat stamselle vir die groei van sulke strukture van spesifieke mense geneem kan word, byvoorbeeld van pasiënte met geneties bepaalde siektes van die senuweestelsel. En die vooruitgang in genetiese ingenieurswese dui daarop dat wetenskaplikes binnekort in vitro die ontwikkeling van die brein van 'n Neanderdaller of Denisovan sal kan waarneem.

In 2013 het navorsers van die Instituut vir Molekulêre Biotegnologie van die Oostenrykse Akademie vir Wetenskappe 'n artikel gepubliseer Serebrale organoïede modelle menslike breinontwikkeling en mikrokefalie, wat die verbouing van 'n "miniatuurbrein" van twee tipes stamselle in 'n bioreaktor beskryf, wat die struktuur van die hele menslike brein.

Verskillende sones van die organoïed het ooreengestem met verskillende dele van die brein: posterior, middel en anterior, en die "voorbrein" het selfs verdere differensiasie in lobbe ("hemisfere") getoon. Wat belangrik is, is dat in hierdie minibrein, wat ook nie 'n paar millimeter groot was nie, wetenskaplikes tekens van aktiwiteit waargeneem het, veral fluktuasies in die konsentrasie van kalsium binne neurone, wat dien as 'n aanduiding van hul opwekking (jy kan in detail lees oor hierdie eksperiment hier).

Die doel van die wetenskaplikes was nie net om die evolusie van die brein in vitro weer te gee nie, maar ook om die molekulêre prosesse te bestudeer wat tot mikrokefalie lei –’n ontwikkelingsafwyking wat veral voorkom wanneer’n embrio met die Zika-virus besmet is. Hiervoor het die skrywers van die werk dieselfde mini-brein uit die selle van die pasiënt gegroei.

Ten spyte van die indrukwekkende resultate, was wetenskaplikes oortuig dat sulke organelle nie in staat was om iets te besef nie. Eerstens bevat die regte brein ongeveer 80 biljoen neurone, en die gegroeide organoïed bevat verskeie grootteordes minder. Dus, 'n mini-brein is eenvoudig nie fisies in staat om die funksies van 'n regte brein ten volle te verrig nie.

Tweedens, as gevolg van die eienaardighede van ontwikkeling "in vitro", was sommige van sy strukture taamlik chaoties geleë en het verkeerde, nie-fisiologiese verbindings met mekaar gevorm. As die mini-brein iets gedink het, was dit duidelik iets ongewoons vir ons.

Ten einde die probleem van die interaksie van departemente op te los, het neurowetenskaplikes voorgestel om die brein op 'n nuwe vlak te modelleer, wat "assembloids" genoem word. Vir hul vorming word organelle eers afsonderlik gekweek, wat ooreenstem met individuele dele van die brein, en dan word hulle saamgevoeg.

Hierdie benadering het wetenskaplikes die samestelling van funksioneel geïntegreerde menslike voorbrein-sferoïede gebruik om te bestudeer hoe die sogenaamde interneurone, wat verskyn na die vorming van die grootste deel van neurone deur migrasie vanaf die aangrensende voorbrein, in die korteks geïnkorporeer word. Assembloids verkry uit twee tipes senuweeweefsel het dit moontlik gemaak om versteurings in die migrasie van interneurone by pasiënte met epilepsie en outisme te bestudeer.

Word wakker in iemand anders se liggaam

Selfs met al die verbeterings, word brein-in-'n-buis-vermoëns ernstig deur drie fundamentele voorwaardes beperk. Eerstens het hulle nie 'n vaskulêre stelsel wat hulle toelaat om suurstof en voedingstowwe na hul interne strukture te lewer nie. Om hierdie rede word die grootte van minibreine beperk deur die vermoë van molekules om deur weefsel te diffundeer. Tweedens het hulle nie 'n immuunstelsel, verteenwoordig deur mikrogliale selle nie: gewoonlik migreer hierdie selle van buite na die sentrale senuweestelsel. Derdens, 'n struktuur wat in oplossing groei, het nie 'n spesifieke mikro-omgewing wat deur die liggaam verskaf word nie, wat die aantal seinmolekules wat dit bereik, beperk. Die oplossing vir hierdie probleme kan die skep van modeldiere met chimeriese breine wees.

Die onlangse werk An in vivo model of functional and vascularized human brain organoids deur Amerikaanse wetenskaplikes van die Salk Institute onder leiding van Fred Gage beskryf die integrasie van 'n menslike serebrale organel (dit is 'n mini-brein) in die brein van 'n muis. Om dit te kan doen, het die wetenskaplikes eers die geen vir 'n groen fluoresserende proteïen in die DNA van stamselle ingevoeg sodat die lot van die ontwikkelende senuweeweefsel met behulp van mikroskopie waargeneem kon word. Organoïede is vir 40 dae uit hierdie selle gekweek, wat dan in 'n holte in die retrosplenale korteks van 'n immuungebrekkige muis ingeplant is. Drie maande later, in 80 persent van die diere, het die inplanting wortel geskiet.

Die chimeriese breine van die muise is vir agt maande ontleed. Dit het geblyk dat die organoïde, wat maklik onderskei kon word deur die luminessensie van 'n fluoresserende proteïen, suksesvol geïntegreer het, 'n vertakte vaskulêre netwerk gevorm het, aksone gegroei het en sinapse met die senuweeprosesse van die gasheerbrein gevorm het. Daarbenewens het mikroglia-selle van die gasheer na die inplantaat beweeg. Laastens het die navorsers die funksionele aktiwiteit van die neurone bevestig – hulle het elektriese aktiwiteit en skommelinge in kalsium getoon. Die menslike "minibrein" het dus die samestelling van die muisbrein ten volle betree.

Verbasend genoeg het die integrasie van 'n stuk menslike senuweeweefsel nie die gedrag van eksperimentele muise beïnvloed nie. In’n toets vir ruimtelike leer het muise met chimeriese breine dieselfde as normale muise gepresteer, en selfs slegter geheue gehad – die navorsers het dit verduidelik deur die feit dat hulle vir inplanting’n gat in die serebrale korteks gemaak het.

Nietemin was die doel van hierdie werk nie om 'n intelligente muis met 'n menslike bewussyn te verkry nie, maar om 'n in vivo-model van menslike serebrale organelle te skep wat toegerus is met 'n vaskulêre netwerk en mikro-omgewing vir verskeie biomediese doeleindes.

'n Eksperiment van 'n heeltemal ander soort is uitgevoer deur Forebrain-inplanting deur menslike gliale stamvaderselle, verhoog sinaptiese plastisiteit en leer by volwasse muise deur wetenskaplikes by die Sentrum vir Translationele Neuromedisyne aan die Universiteit van Rochester in 2013. Soos vroeër genoem, verskil menslike bykomende breinselle (astrosiete) baie van dié van ander diere, veral muise. Om hierdie rede stel navorsers voor dat astrasiete 'n belangrike rol speel in die ontwikkeling en instandhouding van menslike breinfunksies. Om te toets hoe 'n chimeriese muisbrein met menslike astrasiete sou ontwikkel, het die wetenskaplikes helperselvoorlopers in die brein van muisembrio's geplant.

Dit het geblyk dat menslike astrasiete in 'n chimeriese brein drie keer vinniger werk as muise. Boonop het muise met chimeriese breine op baie maniere aansienlik slimmer as gewoonlik geblyk te wees. Hulle was vinniger om te dink, beter te leer en deur die doolhof te navigeer. Waarskynlik het chimeriese muise nie soos mense gedink nie, maar miskien kon hulle hulself in 'n ander stadium van evolusie voel.

Knaagdiere is egter ver van ideale modelle om die menslike brein te bestudeer. Die feit is dat menslike senuweeweefsel volwasse word volgens een of ander interne molekulêre klok, en die oordrag daarvan na 'n ander organisme versnel nie hierdie proses nie. Aangesien muise net twee jaar leef, en die volle vorming van 'n menslike brein 'n paar dekades neem, kan enige langtermynprosesse in die formaat van 'n chimeriese brein nie bestudeer word nie. Miskien behoort die toekoms van neurowetenskap steeds aan menslike breine in akwariums – om uit te vind hoe eties dit is, moet wetenskaplikes net leer hoe om gedagtes te lees, en dit lyk of moderne tegnologie dit binnekort kan doen.