Jak naukowcy badają ludzki mózg w izolacji od ciała?

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 04:07

Jak naukowcy tworzą modele ludzkiego mózgu i jakie problemy etyczne rodzą takie badania.

W czasopiśmie Nature opublikowano The ethics of eksperymenting z ludzką tkanką mózgową, zbiorowy list 17 czołowych neuronaukowców na świecie, w którym naukowcy omawiali postępy w rozwoju modeli ludzkiego mózgu. Obawy specjalistów są następujące: prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości modele staną się tak zaawansowane, że zaczną odtwarzać nie tylko strukturę, ale i funkcje ludzkiego mózgu.

Czy można stworzyć „w probówce” kawałek tkanki nerwowej, który ma świadomość? Naukowcy znają budowę mózgu zwierząt w najdrobniejszych szczegółach, ale nadal nie doszli do wniosku, które struktury „kodują” świadomość i jak mierzyć jej obecność, jeśli mówimy o izolowanym mózgu lub jego podobieństwie.

Mózg w akwarium

„Wyobraź sobie, że budzisz się w odizolowanej komorze deprywacji sensorycznej – wokół nie ma światła, dźwięku, zewnętrznych bodźców. Tylko twoja świadomość, wisząca w pustce.”

To zdjęcie etyków komentujących oświadczenie neurobiologa z Yale University Nenada Sestana, że jego zespół był w stanie utrzymać przy życiu wyizolowany mózg świni przez 36 godzin.

Naukowcy trzymają mózgi świń przy życiu poza ciałem, raport o udanym eksperymencie został sporządzony na posiedzeniu Komisji Etyki Narodowych Instytutów Zdrowia Stanów Zjednoczonych pod koniec marca tego roku. Używając podgrzewanego systemu pomp o nazwie BrainEx i syntetycznego substytutu krwi, naukowcy utrzymywali krążenie płynów i dostarczanie tlenu do izolowanych mózgów setek zwierząt zabitych w rzeźni na kilka godzin przed eksperymentem, powiedział.

Narządy pozostały przy życiu, sądząc po utrzymywaniu się aktywności miliardów pojedynczych neuronów. Jednak naukowcy nie potrafią powiedzieć, czy mózgi świń umieszczone w „akwarium” zachowały oznaki świadomości. Brak aktywności elektrycznej, przetestowany w ustandaryzowany sposób za pomocą elektroencefalogramu, przekonał Sestana, że „ten mózg nie martwi się niczym”. Możliwe, że wyizolowany mózg zwierzęcia był w śpiączce, co w szczególności mogły ułatwić składniki myjącego go roztworu.

Autorzy nie ujawniają szczegółów eksperymentu - przygotowują publikację w czasopiśmie naukowym. Niemniej jednak nawet ubogi w szczegóły raport Sestana wzbudził duże zainteresowanie i wiele spekulacji na temat dalszego rozwoju technologii. Wydaje się, że zachowanie mózgu nie jest dużo trudniejsze technicznie niż zachowanie jakiegokolwiek innego organu do przeszczepu, takiego jak serce czy nerka.

Oznacza to, że teoretycznie możliwe jest zachowanie ludzkiego mózgu w mniej lub bardziej naturalnym stanie.

Wyizolowane mózgi mogą być dobrym modelem na przykład do badania leków: w końcu istniejące ograniczenia regulacyjne dotyczą żywych ludzi, a nie poszczególnych narządów. Jednak z etycznego punktu widzenia pojawia się tu wiele pytań. Nawet kwestia śmierci mózgu pozostaje dla badaczy „szarą strefą” – mimo istnienia formalnych kryteriów medycznych istnieje szereg podobnych stanów, z których powrót do normalnej aktywności życiowej jest nadal możliwy. Co możemy powiedzieć o sytuacji, gdy twierdzimy, że mózg pozostaje żywy. A co, jeśli mózg, odizolowany od ciała, nadal zachowuje niektóre lub wszystkie cechy osobowości? Wtedy całkiem możliwe jest wyobrażenie sobie sytuacji opisanej na początku artykułu.

Gdzie czai się świadomość

Pomimo tego, że do lat 80. XX wieku wśród naukowców byli zwolennicy teorii dualizmu oddzielającej duszę od ciała, w naszych czasach nawet filozofowie badający psychikę zgadzają się, że wszystko, co nazywamy świadomością, jest generowane przez materialny mózg (historia Pytanie można przeczytać szerzej np. w tym rozdziale Gdzie jest świadomość: historia problemu i perspektywy poszukiwań z książki noblisty Erica Kandela „W poszukiwaniu pamięci”).

Co więcej, dzięki nowoczesnym technikom, takim jak funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego, naukowcy mogą śledzić, które obszary mózgu są aktywowane podczas określonych ćwiczeń umysłowych. Niemniej jednak pojęcie świadomości jako całości jest zbyt efemeryczne i naukowcy nadal nie są zgodni, czy jest ona zakodowana przez zespół procesów zachodzących w mózgu, czy też odpowiadają za to pewne neuronalne korelaty.

Jak pisze Kandel w swojej książce, u pacjentów z chirurgicznie oddzielonymi półkulami mózgowymi świadomość zostaje podzielona na dwie, z których każda postrzega niezależny obraz świata.

Te i podobne przypadki z praktyki neurochirurgicznej wskazują przynajmniej, że do istnienia świadomości nie jest wymagana integralność mózgu jako struktury symetrycznej. Niektórzy naukowcy, w tym odkrywca struktury DNA Francis Crick, który pod koniec życia zainteresował się neuronauką, uważają, że o obecności świadomości decydują określone struktury w mózgu.

Może są to pewne obwody nerwowe, a może chodzi o pomocnicze komórki mózgu - astrocyty, które u ludzi, w porównaniu z innymi zwierzętami, są dość wysoko wyspecjalizowane. Tak czy inaczej naukowcy dotarli już do punktu modelowania poszczególnych struktur ludzkiego mózgu in vitro („in vitro”) lub nawet in vivo (jako części mózgu zwierząt).

Obudź się w bioreaktorze

Nie wiadomo, jak szybko dojdzie do eksperymentów na całych mózgach wydobytych z ludzkiego ciała – najpierw neurobiolodzy i etycy muszą uzgodnić reguły gry. Niemniej jednak, w laboratoriach na szalkach Petriego i bioreaktorach, wzrost trójwymiarowych kultur ludzkiego mózgu już teraz powoduje powstawanie „mini-mózgów”, które naśladują strukturę „dużego” ludzkiego mózgu lub jego określonych części.

W procesie rozwoju zarodka jego narządy tworzą się do pewnych etapów zgodnie z jakimś programem tkwiącym w genach zgodnie z zasadą samoorganizacji. Układ nerwowy nie jest wyjątkiem. Naukowcy odkryli, że jeśli w hodowli komórek macierzystych za pomocą pewnych substancji indukuje się różnicowanie w komórki tkanki nerwowej, prowadzi to do spontanicznych przegrupowań w hodowli komórkowej, podobnych do tych, które zachodzą podczas morfogenezy cewy nerwowej zarodka.

Indukowane w ten sposób komórki macierzyste „domyślnie” różnicują się ostatecznie w neurony kory mózgowej, jednak poprzez dodanie cząsteczek sygnałowych z zewnątrz na szalkę Petriego można uzyskać na przykład komórki śródmózgowia, prążkowia lub rdzenia kręgowego. Okazało się, że wewnętrzny mechanizm kortykogenezy z embrionalnych komórek macierzystych może być hodowany w naczyniu, prawdziwej korze, podobnie jak w mózgu, składającej się z kilku warstw neuronów i zawierającej pomocnicze astrocyty.

Oczywiste jest, że kultury dwuwymiarowe reprezentują bardzo uproszczony model. Zasada samoorganizacji tkanki nerwowej pomogła naukowcom szybko przejść do trójwymiarowych struktur zwanych sferoidami i organellami mózgowymi. Na proces organizacji tkanek mogą wpływać zmiany warunków początkowych, takich jak początkowa gęstość hodowli i niejednorodność komórek, a także czynniki egzogenne. Modulując aktywność pewnych kaskad sygnalizacyjnych, możliwe jest nawet osiągnięcie tworzenia zaawansowanych struktur w organoidzie, takich jak miseczka wzrokowa z nabłonkiem siatkówki, która reaguje na światło zróżnicowanie komórek i dynamikę sieci w światłoczułych organoidach ludzkiego mózgu.

Zastosowanie specjalnego naczynia i leczenie czynnikami wzrostu pozwoliło naukowcom na celowe uzyskanie Modelowania rozwoju kory ludzkiej in vitro z wykorzystaniem indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych - ludzkiego organoidu mózgu odpowiadającego przodomózgowi (półkulom) z korą, której rozwój sądząc po ekspresja genów i markerów odpowiadała pierwszemu trymestrowi rozwoju płodu…

A naukowcy ze Stanford, kierowani przez Sergiu Pasca, opracowali funkcjonalne neurony korowe i astrocyty z ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych w hodowli 3D, sposób na hodowanie grudek, które imitują przodomózgowie bezpośrednio na szalce Petriego. Wielkość takich "mózgów" wynosi około 4 milimetrów, ale po 9-10 miesiącach dojrzewania neurony korowe i astrocyty w tej strukturze odpowiadają poporodowemu poziomowi rozwoju, czyli poziomowi rozwoju dziecka zaraz po urodzeniu.

Co ważne, komórki macierzyste do hodowli takich struktur można pobierać od konkretnych osób, np. od pacjentów z genetycznie uwarunkowanymi chorobami układu nerwowego. A postępy w inżynierii genetycznej sugerują, że naukowcy wkrótce będą mogli obserwować in vitro rozwój mózgu neandertalczyka lub denisowiana.

W 2013 roku naukowcy z Instytutu Biotechnologii Molekularnej Austriackiej Akademii Nauk opublikowali artykuł Cerebral organoids modelują rozwój ludzkiego mózgu i małogłowie, opisujący hodowlę „miniaturowego mózgu” z dwóch typów komórek macierzystych w bioreaktorze, który naśladuje struktura całego ludzkiego mózgu.

Różne strefy organoidu odpowiadały różnym częściom mózgu: tylnej, środkowej i przedniej, a „przodomózgowie” wykazywało nawet dalsze różnicowanie w płaty („półkule”). Co ważne, w tym minimózgu, który również nie przekraczał kilku milimetrów, naukowcy zaobserwowali oznaki aktywności, w szczególności wahania stężenia wapnia wewnątrz neuronów, które służą jako wskaźnik ich pobudzenia (szczegółowo można przeczytać o tym eksperymencie tutaj).

Celem naukowców było nie tylko odtworzenie ewolucji mózgu in vitro, ale także zbadanie procesów molekularnych prowadzących do małogłowie - nieprawidłowości rozwojowej, która pojawia się w szczególności w przypadku zarażenia zarodka wirusem Zika. W tym celu autorzy pracy wyhodowali ten sam minimózg z komórek pacjenta.

Mimo imponujących wyników naukowcy byli przekonani, że takie organelle nie są w stanie niczego zrealizować. Po pierwsze, prawdziwy mózg zawiera około 80 miliardów neuronów, a wyrośnięty organoid zawiera kilka rzędów wielkości mniej. Tak więc minimózg po prostu fizycznie nie jest w stanie w pełni wykonywać funkcji prawdziwego mózgu.

Po drugie, ze względu na specyfikę rozwoju „in vitro”, niektóre jego struktury były zlokalizowane dość chaotycznie i tworzyły ze sobą nieprawidłowe, niefizjologiczne powiązania. Jeśli minimózg coś pomyślał, było to dla nas najwyraźniej coś niezwykłego.

Aby rozwiązać problem interakcji oddziałów, neuronaukowcy zaproponowali modelowanie mózgu na nowym poziomie, który nazywa się „assembloidami”. W celu ich powstania organelle są najpierw hodowane osobno, odpowiadające poszczególnym częściom mózgu, a następnie są łączone.

W tym podejściu naukowcy wykorzystali zespół funkcjonalnie zintegrowanych sferoidów ludzkiego przodomózgowia, aby zbadać, w jaki sposób tak zwane interneurony, które pojawiają się po utworzeniu większości neuronów w wyniku migracji z sąsiedniego przodomózgowia, są włączane do kory. Assembloidy uzyskane z dwóch rodzajów tkanki nerwowej umożliwiły badanie zaburzeń migracji interneuronów u pacjentów z padaczką i autyzmem.

Obudź się w czyimś ciele

Nawet przy wszystkich udoskonaleniach możliwości działania mózgu w tubie są poważnie ograniczone przez trzy podstawowe warunki. Po pierwsze, nie mają układu naczyniowego, który pozwala im dostarczać tlen i składniki odżywcze do ich wewnętrznych struktur. Z tego powodu wielkość minimózgów jest ograniczona zdolnością cząsteczek do dyfuzji przez tkankę. Po drugie, nie mają układu odpornościowego, reprezentowanego przez komórki mikrogleju: normalnie komórki te migrują do ośrodkowego układu nerwowego z zewnątrz. Po trzecie, struktura rosnąca w roztworze nie ma określonego mikrośrodowiska zapewnianego przez organizm, co ogranicza liczbę docierających do niej cząsteczek sygnałowych. Rozwiązaniem tych problemów mogłoby być stworzenie modelowych zwierząt z mózgami chimerycznymi.

Najnowsza praca Model in vivo funkcjonalnych i unaczynionych organoidów ludzkiego mózgu autorstwa amerykańskich naukowców z Instytutu Salka pod kierunkiem Freda Gage'a opisuje integrację ludzkich organelli mózgowych (czyli minimózgu) z mózgiem myszy. W tym celu naukowcy najpierw wprowadzili do DNA komórek macierzystych gen białka zielonej fluorescencji, aby los rozwijającej się tkanki nerwowej mógł być obserwowany za pomocą mikroskopu. Organoidy hodowano z tych komórek przez 40 dni, a następnie wszczepiano je do jamy w korze pozatrzonowej myszy z niedoborem odporności. Trzy miesiące później u 80 procent zwierząt implant zapuścił korzenie.

Chimeryczne mózgi myszy analizowano przez osiem miesięcy. Okazało się, że organoid, który można łatwo odróżnić po luminescencji białka fluorescencyjnego, z powodzeniem zintegrował się, utworzył rozgałęzioną sieć naczyniową, wyhodował aksony i utworzył synapsy z wyrostkami nerwowymi mózgu gospodarza. Ponadto komórki mikrogleju przeniosły się z żywiciela do implantu. Wreszcie naukowcy potwierdzili aktywność funkcjonalną neuronów - wykazali aktywność elektryczną i wahania wapnia. W ten sposób ludzki „minimózg” w pełni wszedł w skład mózgu myszy.

Co zaskakujące, integracja fragmentu ludzkiej tkanki nerwowej nie wpłynęła na zachowanie myszy doświadczalnych. W teście na uczenie przestrzenne myszy z mózgami chimerycznymi zachowywały się tak samo jak normalne myszy, a nawet miały gorszą pamięć – naukowcy tłumaczyli to tym, że do implantacji zrobili dziurę w korze mózgowej.

Niemniej jednak celem tej pracy nie było uzyskanie inteligentnej myszy o ludzkiej świadomości, ale stworzenie modelu in vivo ludzkich organelli mózgowych wyposażonych w sieć naczyniową i mikrośrodowisko do różnych celów biomedycznych.

Eksperyment zupełnie innego rodzaju został zaaranżowany przez naukowców z Center for Translational Neuromedicine na Uniwersytecie w Rochester w 2013 roku. Wszczepienie przodomózgowia przez ludzkie komórki progenitorowe gleju zwiększa plastyczność synaptyczną i uczenie się u dorosłych myszy. Jak wspomniano wcześniej, ludzkie dodatkowe komórki mózgu (astrocyty) bardzo różnią się od komórek innych zwierząt, w szczególności myszy. Z tego powodu naukowcy sugerują, że astrocyty odgrywają ważną rolę w rozwoju i utrzymaniu funkcji ludzkiego mózgu. Aby sprawdzić, jak chimeryczny mózg myszy rozwinie się z ludzkimi astrocytami, naukowcy umieścili prekursory komórek pomocniczych w mózgach zarodków myszy.

Okazało się, że w chimerycznym mózgu ludzkie astrocyty pracują trzy razy szybciej niż myszy. Co więcej, myszy z mózgami chimerycznymi okazały się pod wieloma względami znacznie mądrzejsze niż zwykle. Szybciej myśleli, uczyli się lepiej i poruszali się po labiryncie. Prawdopodobnie myszy chimeryczne nie myślały jak ludzie, ale być może czuły się na innym etapie ewolucji.

Jednak gryzonie są dalekie od idealnych modeli do badania ludzkiego mózgu. Faktem jest, że ludzka tkanka nerwowa dojrzewa zgodnie z jakimś wewnętrznym zegarem molekularnym, a jej przeniesienie do innego organizmu nie przyspiesza tego procesu. Biorąc pod uwagę, że myszy żyją tylko dwa lata, a pełne uformowanie się ludzkiego mózgu zajmuje kilkadziesiąt lat, nie można badać żadnych długotrwałych procesów w formacie mózgu chimerycznego. Być może przyszłość neuronauki nadal należy do ludzkich mózgów w akwariach – aby dowiedzieć się, jakie to etyczne, naukowcy muszą tylko nauczyć się czytać w myślach, a nowoczesna technologia wydaje się być w stanie to zrobić wkrótce.