Kaip mokslininkai tiria žmogaus smegenis atskirai nuo kūno

2024 Autorius: Malcolm Clapton | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 04:04

Kaip mokslininkai kuria žmogaus smegenų modelius ir kokias etines problemas tokie tyrimai kelia.

Žurnalas „Nature“paskelbė „Eksperimentų su žmogaus smegenų audiniu etika“– kolektyvinį 17 žymiausių pasaulio neurologų laišką, kuriame mokslininkai aptarė žmogaus smegenų modelių kūrimo pažangą. Specialistų nuogąstavimai yra tokie: greičiausiai artimiausiu metu modeliai taps tiek pažengę, kad pradės atkartoti ne tik žmogaus smegenų struktūrą, bet ir funkcijas.

Ar įmanoma „mėgintuvėlyje“sukurti nervinio audinio gabalėlį, turintį sąmonę? Mokslininkai išmano gyvūnų smegenų sandarą iki smulkiausių detalių, tačiau vis dar nesuprato, kurios struktūros „koduoja“sąmonę ir kaip išmatuoti jos buvimą, jei kalbame apie izoliuotas smegenis ar jų panašumą.

Smegenys akvariume

„Įsivaizduokite, kad atsibundate izoliuotoje jutimų nepritekliaus kameroje – aplink nėra nei šviesos, nei garso, nei išorinių dirgiklių. Tik tavo sąmonė, kabanti tuštumoje.

Toks yra etikos ekspertų, komentuojančių Jeilio universiteto neurologo Nenado Sestano teiginį, kad jo komanda sugebėjo išlaikyti izoliuotas kiaulės smegenis gyvas 36 valandas, nuotrauka.

Šių metų kovo pabaigoje JAV nacionalinio sveikatos instituto Etikos komiteto posėdyje mokslininkai išlaiko kiaulių smegenis gyvas. Naudodami šildomą pompos sistemą BrainEx ir sintetinį kraujo pakaitalą, mokslininkai palaikė skysčių cirkuliaciją ir deguonies tiekimą į izoliuotas šimtų gyvūnų, nužudytų skerdykloje, smegenis likus porai valandų iki eksperimento, sakė jis.

Sprendžiant iš milijardų atskirų neuronų veiklos išlikimo, organai liko gyvi. Tačiau mokslininkai negali pasakyti, ar kiaulių smegenys, patalpintos į „akvariumą“, išlaikė sąmonės požymius. Elektrinio aktyvumo nebuvimas, patikrintas standartizuotu būdu naudojant elektroencefalogramą, įtikino Sestaną, kad „šios smegenys dėl nieko nesijaudina“. Gali būti, kad izoliuotos gyvūno smegenys buvo komos būsenos, o tai ypač galėjo palengvinti jas plaunantys tirpalo komponentai.

Eksperimento detalių autoriai neatskleidžia – ruošia publikaciją moksliniame žurnale. Nepaisant to, net ir smulkmenų skurdus Sestano pranešimas sukėlė didelį susidomėjimą ir daug spėlionių dėl tolimesnės technologijos plėtros. Atrodo, kad išsaugoti smegenis techniškai nėra daug sunkiau nei išsaugoti bet kurį kitą organą transplantacijai, pavyzdžiui, širdį ar inkstus.

Tai reiškia, kad teoriškai įmanoma išsaugoti žmogaus smegenis daugiau ar mažiau natūralioje būsenoje.

Izoliuotos smegenys galėtų būti geras modelis, pavyzdžiui, tiriant vaistus: juk esami reguliavimo apribojimai galioja gyviems žmonėms, o ne atskiriems organams. Tačiau etikos požiūriu čia kyla daug klausimų. Net ir smegenų mirties klausimas tyrėjams išlieka „pilka zona“– nepaisant formalių medicininių kriterijų egzistavimo, yra nemažai panašių būklių, nuo kurių vis dar įmanoma grįžti prie įprastos gyvenimo veiklos. Ką galime pasakyti apie situaciją, kai tvirtiname, kad smegenys išlieka gyvos. Ką daryti, jei smegenys, izoliuotos nuo kūno, ir toliau išlaiko kai kuriuos ar visus asmenybės bruožus? Tada visiškai įmanoma įsivaizduoti situaciją, aprašytą straipsnio pradžioje.

Kur slepiasi sąmonė

Nepaisant to, kad iki XX amžiaus 80-ųjų tarp mokslininkų buvo dualizmo teorijos, atskiriančios sielą nuo kūno, šalininkų, mūsų laikais net psichiką tyrinėjantys filosofai sutinka, kad viskas, ką vadiname sąmone, yra generuojama. materialiomis smegenimis (istorija) Išsamiau klausimą galima perskaityti, pvz., šiame skyriuje „Kur yra sąmonė: istorijos problemos ir paieškos perspektyvos“iš Nobelio premijos laureato Erico Kandelio knygos „Atminties beieškant“).

Negana to, naudodamiesi šiuolaikinėmis technikomis, tokiomis kaip funkcinis magnetinio rezonanso tomografija, mokslininkai gali sekti, kurios smegenų sritys suaktyvėja konkrečių protinių pratimų metu. Nepaisant to, sąmonės kaip visumos samprata yra pernelyg efemeriška, ir mokslininkai vis dar nesutaria, ar ją užkoduoja smegenyse vykstantys procesai, ar už tai atsakingi tam tikri nerviniai koreliatai.

Kaip savo knygoje sako Kandelis, pacientų, kurių smegenų pusrutuliai chirurginiu būdu atskirti, sąmonė yra padalinama į dvi dalis, kurių kiekvienas suvokia nepriklausomą pasaulio vaizdą.

Šie ir panašūs atvejai iš neurochirurginės praktikos rodo bent tai, kad sąmonės egzistavimui smegenų, kaip simetriškos struktūros, vientisumas nebūtinas. Kai kurie mokslininkai, tarp jų ir DNR struktūros atradėjas Francisas Crickas, gyvenimo pabaigoje susidomėjęs neuromokslais, mano, kad sąmonės buvimą lemia specifinės smegenų struktūros.

Galbūt tai yra tam tikros nervinės grandinės, o gal esmė yra pagalbinėse smegenų ląstelėse - astrocituose, kurie žmonėms, palyginti su kitais gyvūnais, yra gana specializuoti. Vienaip ar kitaip, mokslininkai jau pasiekė atskirų žmogaus smegenų struktūrų modeliavimą in vitro („in vitro“) ar net in vivo (kaip gyvūnų smegenų dalį).

Pabusti bioreaktoriuje

Nežinia, kaip greitai pasieks eksperimentus su ištisomis iš žmogaus kūno išskirtomis smegenimis – pirmiausia neurologai ir etikai turi susitarti dėl žaidimo taisyklių. Nepaisant to, laboratorijose Petri lėkštelėse ir bioreaktoriuose, trimačių žmogaus smegenų kultūrų augimas jau augina „mini smegenis“, kurios imituoja „didelių“žmogaus smegenų ar specifinių jų dalių struktūrą.

Embriono vystymosi procese jo organai formuojasi iki tam tikrų etapų pagal kažkokią genams būdingą programą pagal saviorganizacijos principą. Nervų sistema nėra išimtis. Tyrėjai išsiaiškino, kad jei kamieninių ląstelių kultūroje tam tikrų medžiagų pagalba sukeliama diferenciacija į nervinio audinio ląsteles, tai sukelia spontaniškus ląstelių kultūros persitvarkymus, panašius į tuos, kurie vyksta embrioninio nervinio vamzdelio morfogenezės metu.

Tokiu būdu „pagal nutylėjimą“sukeltos kamieninės ląstelės galiausiai diferencijuojasi į smegenų žievės neuronus, tačiau į Petri lėkštelę pridedant signalines molekules iš išorės, pavyzdžiui, galima gauti vidurinių smegenų, striatum ar nugaros smegenų ląsteles. Paaiškėjo, kad vidinis kortikogenezės mechanizmas iš embrioninių kamieninių ląstelių gali būti auginamas lėkštelėje, tikroje žievėje, kaip ir smegenyse, susidedančioje iš kelių neuronų sluoksnių ir turinčioje pagalbinius astrocitus.

Akivaizdu, kad dvimatės kultūros yra labai supaprastintas modelis. Nervinio audinio savaiminio organizavimo principas padėjo mokslininkams greitai pereiti prie trimačių struktūrų, vadinamų sferoidais ir smegenų organelėmis. Audinių organizavimo procesą gali įtakoti pradinių sąlygų pokyčiai, pvz., pradinis kultūros tankis ir ląstelių heterogeniškumas, ir egzogeniniai veiksniai. Moduliuojant tam tikrų signalizacijos kaskadų aktyvumą, netgi galima pasiekti pažangių struktūrų susidarymą organoiduose, pavyzdžiui, optinį kaušelį su tinklainės epiteliu, kuris reaguoja į šviesai jautrių žmogaus smegenų organoidų ląstelių įvairovę ir tinklo dinamiką.

Specialaus indo naudojimas ir gydymas augimo faktoriais leido mokslininkams tikslingai gauti Žmogaus žievės vystymosi modeliavimą in vitro naudojant indukuotas pluripotentines kamienines ląsteles – žmogaus smegenų organoidą, atitinkantį priekinę smegenis (pusrutulius) su žieve, kurios vystymąsi, sprendžiant genų ir žymenų ekspresija atitiko pirmąjį vaisiaus vystymosi trimestrą …

O Stenfordo mokslininkai, vadovaujami Sergiu Pasca, sukūrė funkcinius žievės neuronus ir astrocitus iš žmogaus pluripotentinių kamieninių ląstelių 3D kultūroje, taip išauginti gumulėlius, imituojančius priekinę smegenis tiesiai Petri lėkštelėje. Tokių „smegenų“dydis siekia apie 4 milimetrus, tačiau po 9-10 mėnesių brendimo šios struktūros žievės neuronai ir astrocitai atitinka postnatalinį išsivystymo lygį, tai yra kūdikio išsivystymo lygį iš karto po gimimo.

Svarbu tai, kad kamienines ląsteles tokioms struktūroms auginti galima paimti iš konkrečių žmonių, pavyzdžiui, iš pacientų, sergančių genetiškai nulemtomis nervų sistemos ligomis. O genų inžinerijos pažanga rodo, kad netrukus mokslininkai galės stebėti neandertaliečio ar Denisovo smegenų vystymąsi in vitro.

2013 m. Austrijos mokslų akademijos Molekulinės biotechnologijos instituto mokslininkai paskelbė straipsnį „Smegenų organoidai modeliuoja žmogaus smegenų vystymąsi ir mikrocefaliją“, kuriame aprašomas „miniatiūrinių smegenų“auginimas iš dviejų tipų kamieninių ląstelių bioreaktoriuje, kuris imituoja viso žmogaus smegenų struktūra.

Skirtingos organoido zonos atitiko skirtingas smegenų dalis: užpakalinę, vidurinę ir priekinę, o "priekinės smegenys" netgi rodė tolesnę diferenciaciją į skiltis ("pusrutulius"). Svarbu tai, kad šiose mini smegenyse, kurios taip pat neviršijo kelių milimetrų, mokslininkai pastebėjo aktyvumo požymius, ypač kalcio koncentracijos svyravimus neuronuose, kurie yra jų sužadinimo indikatorius (galite perskaityti išsamiai apie šį eksperimentą čia).

Mokslininkų tikslas buvo ne tik atkurti smegenų evoliuciją in vitro, bet ir ištirti molekulinius procesus, sukeliančius mikrocefaliją - vystymosi anomaliją, kuri atsiranda, ypač kai embrionas yra užkrėstas Zikos virusu. Tam darbo autoriai iš paciento ląstelių išaugino tas pačias mini smegenis.

Nepaisant įspūdingų rezultatų, mokslininkai buvo įsitikinę, kad tokios organelės nepajėgios nieko suvokti. Pirma, tikrosiose smegenyse yra apie 80 milijardų neuronų, o išaugusiuose organoiduose yra keliomis eilėmis mažiau. Taigi mini smegenys tiesiog fiziškai nepajėgios pilnai atlikti tikrų smegenų funkcijų.

Antra, dėl vystymosi „in vitro“ypatumų kai kurios jo struktūros išsidėstė gana chaotiškai ir sudarė neteisingus, nefiziologinius tarpusavyje ryšius. Jei mažosios smegenys ką nors galvojo, tai aiškiai buvo kažkas neįprasto mums.

Norėdami išspręsti skyrių sąveikos problemą, neuromokslininkai pasiūlė modeliuoti smegenis nauju lygiu, kuris vadinamas „asembloidais“. Jų susidarymui organelės iš pradžių auginamos atskirai, atitinkančios atskiras smegenų dalis, o vėliau sujungiamos.

Šio metodo mokslininkai naudojo funkciškai integruotų žmogaus priekinių smegenų sferoidų rinkinį, kad ištirtų, kaip vadinamieji interneuronai, atsirandantys po to, kai migruojant iš gretimų priekinių smegenų susiformuoja didžioji dalis neuronų, yra įtraukiami į žievę. Asembloidai, gauti iš dviejų tipų nervinio audinio, leido ištirti interneuronų migracijos sutrikimus pacientams, sergantiems epilepsija ir autizmu.

Pabusti kažkieno kūne

Net ir su visais patobulinimais, „smegenys vamzdyje“galimybes labai riboja trys pagrindinės sąlygos. Pirma, jie neturi kraujagyslių sistemos, kuri leistų tiekti deguonį ir maistines medžiagas į vidines struktūras. Dėl šios priežasties mini smegenų dydį riboja molekulių gebėjimas sklisti per audinius. Antra, jie neturi imuninės sistemos, kurią atstovauja mikroglijos ląstelės: paprastai šios ląstelės migruoja į centrinę nervų sistemą iš išorės. Trečia, tirpale auganti struktūra neturi specifinės organizmo teikiamos mikroaplinkos, kuri riboja ją pasiekiančių signalinių molekulių skaičių. Šių problemų sprendimas galėtų būti gyvūnų modelių su chimerinėmis smegenimis sukūrimas.

Neseniai atliktame amerikiečių mokslininkų iš Salko instituto, vadovaujamų Fredo Gage'o, darbe „An in vivo funkcinių ir kraujagyslinių žmogaus smegenų organoidų modelis“aprašomas žmogaus smegenų organelės (ty mini smegenų) integravimas į pelės smegenis.. Norėdami tai padaryti, mokslininkai pirmiausia įterpė žalio fluorescencinio baltymo geną į kamieninių ląstelių DNR, kad besivystančio nervinio audinio likimą būtų galima stebėti naudojant mikroskopiją. Iš šių ląstelių 40 dienų buvo auginami organoidai, kurie vėliau buvo implantuoti į imunodeficito pelės retrosplenalinės žievės ertmę. Po trijų mėnesių 80 procentų gyvūnų implantas prigijo.

Chimerinės pelių smegenys buvo analizuojamos aštuonis mėnesius. Paaiškėjo, kad organoidas, kurį galima nesunkiai atskirti pagal fluorescencinio baltymo liuminescenciją, sėkmingai integravosi, suformavo šakotą kraujagyslių tinklą, išaugino aksonus ir suformavo sinapses su šeimininko smegenų nerviniais procesais. Be to, mikroglijos ląstelės iš šeimininko persikėlė į implantą. Galiausiai mokslininkai patvirtino funkcinį neuronų aktyvumą – jie parodė elektrinį aktyvumą ir kalcio kiekio svyravimus. Taigi žmogaus „mini smegenys“visiškai pateko į pelės smegenų sudėtį.

Keista, kad žmogaus nervinio audinio gabalo integracija neturėjo įtakos eksperimentinių pelių elgesiui. Erdvinio mokymosi testo metu pelės, turinčios chimerines smegenis, veikė taip pat, kaip ir įprastos pelės, o atmintis netgi buvo prastesnė – mokslininkai tai paaiškino tuo, kad implantacijai jos padarė skylę smegenų žievėje.

Nepaisant to, šio darbo tikslas buvo ne gauti protingą pelę su žmogaus sąmone, o sukurti in vivo žmogaus smegenų organelių modelį, aprūpintą kraujagyslių tinklu ir mikroaplinka įvairiems biomedicininiams tikslams.

2013 m. Ročesterio universiteto Transliacinės neuromedicinos centro mokslininkai surengė visiškai kitokį eksperimentą, kai žmogaus glijos pirmtakų ląstelės priekinėse smegenyse įauga į suaugusiųjų pelių sinaptinį plastiškumą ir mokymąsi. Kaip minėta anksčiau, žmogaus papildomos smegenų ląstelės (astrocitai) labai skiriasi nuo kitų gyvūnų, ypač pelių, ląstelių. Dėl šios priežasties mokslininkai teigia, kad astrocitai vaidina svarbų vaidmenį vystant ir palaikant žmogaus smegenų funkcijas. Norėdami patikrinti, kaip chimerinės pelės smegenys vystysis su žmogaus astrocitais, mokslininkai į pelių embrionų smegenis pasodino pagalbinių ląstelių pirmtakus.

Paaiškėjo, kad chimerinėse smegenyse žmogaus astrocitai veikia tris kartus greičiau nei pelių. Be to, pelės su chimerinėmis smegenimis daugeliu atžvilgių pasirodė žymiai protingesnės nei įprasta. Jie greičiau mąstydavo, geriau mokėsi ir naršydavo labirintą. Tikriausiai chimerinės pelės nemąstė taip, kaip žmonės, bet galbūt jos galėjo jaustis kitoje evoliucijos stadijoje.

Tačiau graužikai toli gražu nėra idealūs modeliai žmogaus smegenims tirti. Faktas yra tas, kad žmogaus nervinis audinys bręsta pagal kažkokį vidinį molekulinį laikrodį, o jo perkėlimas į kitą organizmą šio proceso nepagreitina. Atsižvelgiant į tai, kad pelės gyvena tik dvejus metus, o pilnas žmogaus smegenų susidarymas trunka porą dešimtmečių, jokie ilgalaikiai chimerinių smegenų formato procesai negali būti tiriami. Galbūt neurologijos ateitis vis dar priklauso žmogaus smegenims akvariumuose – kad išsiaiškintų, kiek tai etiška, mokslininkams tereikia išmokti skaityti mintis, o šiuolaikinės technologijos, regis, tai sugebės greitai.