Paano pinag-aaralan ng mga mananaliksik ang utak ng tao nang nakahiwalay sa katawan

2024 May -akda: Malcolm Clapton | [email protected]. Huling binago: 2023-12-17 04:13

Paano lumikha ang mga siyentipiko ng mga modelo ng utak ng tao at kung anong mga isyung etikal ang itinataas ng naturang pananaliksik.

Inilathala ng journal Nature ang The ethics of experimenting with human brain tissue, isang collective letter ng 17 nangungunang neuroscientist sa mundo, kung saan tinalakay ng mga siyentipiko ang pag-unlad sa pagbuo ng mga modelo ng utak ng tao. Ang mga takot sa mga espesyalista ay ang mga sumusunod: marahil sa malapit na hinaharap ang mga modelo ay magiging napakahusay na magsisimula silang magparami hindi lamang sa istraktura, kundi pati na rin sa mga pag-andar ng utak ng tao.

Posible bang lumikha ng "sa isang test tube" ng isang piraso ng nervous tissue na may kamalayan? Alam ng mga siyentipiko ang istraktura ng utak ng mga hayop sa pinakamaliit na detalye, ngunit hindi pa rin alam kung aling mga istruktura ang "nag-encode" ng kamalayan at kung paano sukatin ang presensya nito, kung pinag-uusapan natin ang tungkol sa isang nakahiwalay na utak o pagkakatulad nito.

Utak sa aquarium

"Isipin na gumising sa isang nakahiwalay na sensory deprivation chamber - walang ilaw, walang tunog, walang panlabas na stimuli sa paligid. Tanging ang iyong kamalayan, nakabitin sa kawalan."

Iyan ang larawan ng mga ethicist na nagkomento sa isang pahayag ng neuroscientist ng Yale University na si Nenad Sestan na nagawang panatilihing buhay ng kanyang koponan ang isang nakahiwalay na utak ng baboy sa loob ng 36 na oras.

Pinapanatili ng mga Mananaliksik na buhay ang utak ng baboy sa labas ng ulat ng katawan ng isang matagumpay na eksperimento na ginawa sa isang pulong ng Ethics Committee ng US National Institutes of Health noong huling bahagi ng Marso ngayong taon. Gamit ang isang heated pump system na tinatawag na BrainEx at isang synthetic blood substitute, pinanatili ng mga mananaliksik ang tuluy-tuloy na sirkulasyon at supply ng oxygen sa mga nakahiwalay na utak ng daan-daang hayop na pinatay sa isang slaughterhouse ilang oras bago ang eksperimento, aniya.

Ang mga organo ay nanatiling buhay, na hinuhusgahan sa pamamagitan ng pagpapatuloy ng aktibidad ng bilyun-bilyong indibidwal na mga neuron. Gayunpaman, hindi masasabi ng mga siyentipiko kung ang mga utak ng baboy na inilagay sa "aquarium" ay nagpapanatili ng mga palatandaan ng kamalayan. Ang kawalan ng aktibidad ng kuryente, na nasubok sa isang standardized na paraan gamit ang isang electroencephalogram, ay nakumbinsi si Sestan na "ang utak na ito ay hindi nag-aalala tungkol sa anumang bagay." Posible na ang nakahiwalay na utak ng hayop ay nasa isang pagkawala ng malay, na, sa partikular, ay maaaring mapadali ng mga bahagi ng solusyon sa paghuhugas nito.

Hindi ibinunyag ng mga may-akda ang mga detalye ng eksperimento - naghahanda sila ng publikasyon sa isang siyentipikong journal. Gayunpaman, kahit na ang ulat ni Sestan, mahirap sa mga detalye, ay pumukaw ng malaking interes at maraming haka-haka sa karagdagang pag-unlad ng teknolohiya. Tila ang pag-iingat sa utak ay hindi mas mahirap sa teknikal kaysa sa pag-iingat ng anumang iba pang organ para sa transplant, tulad ng puso o bato.

Nangangahulugan ito na sa teorya ay posible na mapanatili ang utak ng tao sa isang mas o mas natural na estado.

Ang mga nakahiwalay na utak ay maaaring maging isang magandang modelo, halimbawa, para sa pagsasaliksik ng mga gamot: pagkatapos ng lahat, ang umiiral na mga paghihigpit sa regulasyon ay nalalapat sa mga buhay na tao, at hindi sa mga indibidwal na organo. Gayunpaman, mula sa isang etikal na pananaw, maraming mga katanungan ang lumitaw dito. Kahit na ang tanong ng pagkamatay ng utak ay nananatiling isang "gray na lugar" para sa mga mananaliksik - sa kabila ng pagkakaroon ng pormal na pamantayang medikal, mayroong isang bilang ng mga katulad na kondisyon, kung saan posible pa rin ang pagbabalik sa normal na aktibidad sa buhay. Ano ang masasabi natin sa sitwasyon kapag iginiit natin na ang utak ay nananatiling buhay. Paano kung ang utak, na nakahiwalay sa katawan, ay patuloy na nagpapanatili ng ilan o lahat ng mga katangian ng personalidad? Pagkatapos ay lubos na posible na isipin ang sitwasyon na inilarawan sa simula ng artikulo.

Kung saan nakatago ang kamalayan

Sa kabila ng katotohanan na hanggang sa 80s ng ika-20 siglo, mayroong mga tagasuporta ng teorya ng dualism, na naghihiwalay sa kaluluwa mula sa katawan, sa mga siyentipiko, sa ating panahon kahit na ang mga pilosopo na nag-aaral ng psyche ay sumasang-ayon na ang lahat ng tinatawag nating kamalayan ay nabuo. sa pamamagitan ng materyal na utak (kasaysayan Ang tanong ay mababasa nang mas detalyado, halimbawa, sa kabanatang ito Nasaan ang Kamalayan: Kasaysayan ng Isyu at Mga Prospect ng Paghahanap mula sa aklat ng Nobel laureate na si Eric Kandel "In Search of Memory").

Higit pa, sa mga modernong pamamaraan tulad ng functional magnetic resonance imaging, masusubaybayan ng mga siyentipiko kung aling mga bahagi ng utak ang isinaaktibo sa panahon ng mga partikular na ehersisyo sa pag-iisip. Gayunpaman, ang konsepto ng kamalayan sa kabuuan ay masyadong panandalian, at ang mga siyentipiko ay hindi pa rin sumasang-ayon sa kung ito ay naka-encode ng isang hanay ng mga prosesong nagaganap sa utak, o kung ang ilang mga neural correlates ang may pananagutan dito.

Tulad ng sinabi ni Kandel sa kanyang aklat, sa mga pasyente na may mga cerebral hemispheres na pinaghihiwalay ng operasyon, ang kamalayan ay nahahati sa dalawa, na ang bawat isa ay nakikita ang isang malayang larawan ng mundo.

Ang mga ito at katulad na mga kaso mula sa neurosurgical practice ay nagpapahiwatig ng hindi bababa sa na para sa pagkakaroon ng kamalayan, ang integridad ng utak bilang isang simetriko na istraktura ay hindi kinakailangan. Ang ilang mga siyentipiko, kabilang ang natuklasan ng istraktura ng DNA na si Francis Crick, na sa pagtatapos ng kanyang buhay ay naging interesado sa neuroscience, ay naniniwala na ang pagkakaroon ng kamalayan ay tinutukoy ng mga tiyak na istruktura sa utak.

Marahil ang mga ito ay ilang mga neural circuit, o marahil ang punto ay nasa mga pantulong na selula ng utak - ang mga astrocytes, na sa mga tao, kung ihahambing sa iba pang mga hayop, ay lubos na dalubhasa. Sa isang paraan o iba pa, naabot na ng mga siyentipiko ang punto ng pagmomodelo ng mga indibidwal na istruktura ng utak ng tao sa vitro (“in vitro”) o maging sa vivo (bilang bahagi ng utak ng mga hayop).

Gumising sa isang bioreactor

Hindi alam kung gaano kalapit ang mga eksperimento sa buong utak na nakuha mula sa katawan ng tao - una, ang mga neuroscientist at ethicist ay dapat magkasundo sa mga patakaran ng laro. Gayunpaman, sa mga laboratoryo sa Petri dishes at bioreactors, ang pagtaas ng tatlong-dimensional na kultura ng utak ng tao ay lumalaki na ng "mini-brains" na ginagaya ang istraktura ng "malaking" utak ng tao o ang mga partikular na bahagi nito.

Sa proseso ng pag-unlad ng embryo, ang mga organo nito ay nabuo hanggang sa ilang mga yugto ayon sa ilang programa na likas sa mga gene ayon sa prinsipyo ng self-organization. Ang sistema ng nerbiyos ay walang pagbubukod. Natuklasan ng mga mananaliksik na kung ang pagkita ng kaibhan sa mga selula ng tissue ng nerbiyos ay sapilitan sa kultura ng stem cell sa tulong ng ilang mga sangkap, humahantong ito sa mga kusang pagbabago sa kultura ng cell, katulad ng mga nangyayari sa panahon ng morphogenesis ng embryonic neural tube.

Ang mga stem cell na na-induce sa ganitong paraan "sa pamamagitan ng default" ay naiba sa huli sa mga neuron ng cerebral cortex, gayunpaman, sa pamamagitan ng pagdaragdag ng mga molekula ng senyas mula sa labas sa isang Petri dish, halimbawa, ang mga cell ng midbrain, striatum o spinal cord ay maaaring makuha. Ito ay lumabas na ang isang intrinsic na mekanismo ng corticogenesis mula sa mga embryonic stem cell ay maaaring lumaki sa isang ulam, isang tunay na cortex, tulad ng sa utak, na binubuo ng ilang mga layer ng neuron at naglalaman ng mga auxiliary astrocytes.

Malinaw na ang dalawang-dimensional na kultura ay kumakatawan sa isang lubos na pinasimple na modelo. Ang prinsipyo ng pag-aayos sa sarili ng nerve tissue ay nakatulong sa mga siyentipiko na mabilis na lumipat sa mga three-dimensional na istruktura na tinatawag na spheroids at cerebral organelles. Ang proseso ng organisasyon ng tissue ay maaaring maimpluwensyahan ng mga pagbabago sa mga paunang kondisyon, tulad ng paunang density ng kultura at heterogeneity ng cell, at ng mga exogenous na kadahilanan. Sa pamamagitan ng pag-modulate ng aktibidad ng ilang mga signaling cascades, kahit na posible na makamit ang pagbuo ng mga advanced na istruktura sa organoid, tulad ng optic cup na may retinal epithelium, na tumutugon sa pagkakaiba-iba ng Cell at network dynamics sa mga photosensitive na organoids ng utak ng tao sa liwanag.

Ang paggamit ng isang espesyal na sisidlan at paggamot na may mga kadahilanan ng paglago ay nagpapahintulot sa mga siyentipiko na sadyang makakuha ng Modeling human cortical development in vitro gamit ang induced pluripotent stem cells - isang cerebral organoid ng tao na naaayon sa forebrain (hemispheres) na may isang cortex, ang pag-unlad kung saan, sa paghusga sa pamamagitan ng ang pagpapahayag ng mga gene at marker, ay tumutugma sa unang trimester ng pag-unlad ng pangsanggol …

At ang mga siyentipiko mula sa Stanford, na pinamumunuan ni Sergiu Pasca, ay bumuo ng mga Functional cortical neuron at astrocytes mula sa pluripotent stem cell ng tao sa 3D culture, isang paraan upang lumaki ang mga kumpol na gayahin ang forebrain mismo sa isang Petri dish. Ang laki ng naturang "utak" ay humigit-kumulang 4 na milimetro, ngunit pagkatapos ng 9-10 buwan ng pagkahinog, ang mga cortical neuron at astrocytes sa istrukturang ito ay tumutugma sa antas ng pag-unlad ng postnatal, iyon ay, ang antas ng pag-unlad ng sanggol kaagad pagkatapos ng kapanganakan.

Mahalaga, ang mga stem cell para sa pagpapalaki ng mga naturang istruktura ay maaaring kunin mula sa mga partikular na tao, halimbawa, mula sa mga pasyente na may genetically determined na mga sakit ng nervous system. At ang mga pagsulong sa genetic engineering ay nagpapahiwatig na ang mga siyentipiko ay malapit nang maobserbahan sa vitro ang pag-unlad ng utak ng isang Neanderthal o Denisovan.

Noong 2013, ang mga mananaliksik mula sa Institute for Molecular Biotechnology ng Austrian Academy of Sciences ay naglathala ng isang artikulong Cerebral organoids model human brain development at microcephaly, na naglalarawan sa paglilinang ng isang "miniature brain" mula sa dalawang uri ng stem cell sa isang bioreactor, na ginagaya ang istraktura ng buong utak ng tao.

Ang iba't ibang mga zone ng organoid ay tumutugma sa iba't ibang bahagi ng utak: posterior, gitna at anterior, at ang "forebrain" ay nagpakita pa ng karagdagang pagkita ng kaibahan sa mga lobe ("hemispheres"). Mahalaga, sa mini-utak na ito, na hindi rin lalampas sa ilang milimetro ang laki, napansin ng mga siyentipiko ang mga palatandaan ng aktibidad, lalo na ang mga pagbabago sa konsentrasyon ng calcium sa loob ng mga neuron, na nagsisilbing tagapagpahiwatig ng kanilang paggulo (maaari mong basahin nang detalyado. tungkol sa eksperimentong ito dito).

Ang layunin ng mga siyentipiko ay hindi lamang upang kopyahin ang ebolusyon ng utak sa vitro, ngunit din upang pag-aralan ang mga proseso ng molekular na humahantong sa microcephaly - isang abnormalidad sa pag-unlad na nangyayari, lalo na, kapag ang isang embryo ay nahawaan ng Zika virus. Para dito, pinalaki ng mga may-akda ng trabaho ang parehong mini-utak mula sa mga selula ng pasyente.

Sa kabila ng mga kahanga-hangang resulta, ang mga siyentipiko ay kumbinsido na ang gayong mga organelles ay walang kakayahang matanto ang anuman. Una, ang tunay na utak ay naglalaman ng humigit-kumulang 80 bilyong neuron, at ang lumaking organo ay naglalaman ng ilang mga order ng magnitude na mas mababa. Kaya, ang isang mini-utak ay hindi pisikal na kayang ganap na gampanan ang mga function ng isang tunay na utak.

Pangalawa, dahil sa mga kakaibang pag-unlad na "in vitro", ang ilan sa mga istruktura nito ay matatagpuan sa halip na magulo at nabuo ng hindi tama, hindi physiological na mga koneksyon sa bawat isa. Kung ang mini-utak ay nag-iisip ng anumang bagay, ito ay malinaw na isang bagay na hindi karaniwan para sa amin.

Upang malutas ang problema ng pakikipag-ugnayan ng mga departamento, iminungkahi ng mga neuroscientist na i-modelo ang utak sa isang bagong antas, na tinatawag na "assembloids". Para sa kanilang pagbuo, ang mga organel ay unang lumaki nang hiwalay, na tumutugma sa mga indibidwal na bahagi ng utak, at pagkatapos ay pinagsama sila.

Ang pamamaraang ito ay ginamit ng mga siyentipiko ang Assembly of functionally integrated human forebrain spheroids upang pag-aralan kung paano ang tinatawag na interneuron, na lumilitaw pagkatapos ng pagbuo ng karamihan ng mga neuron sa pamamagitan ng paglipat mula sa katabing forebrain, ay isinama sa cortex. Ang mga assembloids na nakuha mula sa dalawang uri ng nerve tissue ay naging posible upang pag-aralan ang mga kaguluhan sa paglipat ng mga interneuron sa mga pasyente na may epilepsy at autism.

Gumising sa katawan ng iba

Kahit na sa lahat ng mga pagpapabuti, ang mga kakayahan sa utak-sa-isang-tube ay lubhang napipigilan ng tatlong pangunahing kondisyon. Una, wala silang vascular system na nagpapahintulot sa kanila na maghatid ng oxygen at nutrients sa kanilang mga panloob na istruktura. Para sa kadahilanang ito, ang laki ng mini-utak ay limitado sa pamamagitan ng kakayahan ng mga molekula na kumalat sa pamamagitan ng tissue. Pangalawa, wala silang immune system, na kinakatawan ng mga microglial cells: karaniwang lumilipat ang mga cell na ito sa central nervous system mula sa labas. Pangatlo, ang isang istraktura na lumalaki sa solusyon ay walang partikular na microenvironment na ibinibigay ng katawan, na naglilimita sa bilang ng mga molekula ng pagbibigay ng senyas na umabot dito. Ang solusyon sa mga problemang ito ay maaaring ang paglikha ng mga modelong hayop na may chimeric brains.

Ang kamakailang gawa Ang isang in vivo na modelo ng functional at vascularized na mga organoid ng utak ng tao ng mga Amerikanong siyentipiko mula sa Salk Institute sa ilalim ng direksyon ni Fred Gage ay naglalarawan ng pagsasama ng isang cerebral organelle ng tao (iyon ay, isang mini-utak) sa utak ng isang mouse. Upang magawa ito, ipinasok muna ng mga siyentipiko ang gene para sa isang berdeng fluorescent na protina sa DNA ng mga stem cell upang ang kapalaran ng pagbuo ng tissue ng nerbiyos ay maobserbahan gamit ang microscopy. Ang mga organoids ay lumaki mula sa mga cell na ito sa loob ng 40 araw, na pagkatapos ay itinanim sa isang lukab sa retrosplenal cortex ng isang immunodeficient na mouse. Pagkalipas ng tatlong buwan, sa 80 porsiyento ng mga hayop, nag-ugat ang implant.

Ang mga chimeric na utak ng mga daga ay nasuri sa loob ng walong buwan. Ito ay lumabas na ang organoid, na madaling makilala sa pamamagitan ng luminescence ng isang fluorescent protein, matagumpay na isinama, nabuo ang isang branched vascular network, lumago ang mga axon at nabuo ang mga synapses na may mga proseso ng nerve ng host brain. Bilang karagdagan, ang mga cell ng microglia ay lumipat mula sa host patungo sa implant. Sa wakas, kinumpirma ng mga mananaliksik ang functional na aktibidad ng mga neuron - nagpakita sila ng electrical activity at pagbabagu-bago sa calcium. Kaya, ang "mini-brain" ng tao ay ganap na pumasok sa komposisyon ng utak ng mouse.

Nakakagulat, ang pagsasama ng isang piraso ng tissue ng nerbiyos ng tao ay hindi nakakaapekto sa pag-uugali ng mga pang-eksperimentong daga. Sa isang pagsubok para sa spatial na pag-aaral, ang mga daga na may chimeric brains ay gumanap na kapareho ng normal na mga daga, at mas malala pa ang memorya - ipinaliwanag ito ng mga mananaliksik sa pamamagitan ng katotohanan na para sa pagtatanim ay gumawa sila ng butas sa cerebral cortex.

Gayunpaman, ang layunin ng gawaing ito ay hindi upang makakuha ng isang matalinong mouse na may kamalayan ng tao, ngunit upang lumikha ng isang in vivo na modelo ng mga cerebral organelles ng tao na nilagyan ng isang vascular network at microenvironment para sa iba't ibang biomedical na layunin.

Ang isang eksperimento ng isang ganap na naiibang uri ay isinagawa sa pamamagitan ng Forebrain engraftment ng mga human glial progenitor cells na nagpapahusay sa synaptic plasticity at pag-aaral sa mga adult na daga ng mga siyentipiko sa Center for Translational Neuromedicine sa University of Rochester noong 2013. Gaya ng nabanggit kanina, ang mga selula ng utak ng accessory ng tao (astrocytes) ay ibang-iba sa iba pang mga hayop, lalo na sa mga daga. Para sa kadahilanang ito, iminumungkahi ng mga mananaliksik na ang mga astrocyte ay may mahalagang papel sa pag-unlad at pagpapanatili ng mga function ng utak ng tao. Upang subukan kung paano bubuo ang isang chimeric mouse brain sa mga human astrocytes, ang mga siyentipiko ay nagtanim ng mga helper cell precursor sa mga utak ng mga embryo ng mouse.

Ito ay lumabas na sa isang chimeric na utak, ang mga astrocyte ng tao ay gumagana nang tatlong beses na mas mabilis kaysa sa mga daga. Bukod dito, ang mga daga na may chimeric na utak ay naging mas matalinong kaysa karaniwan sa maraming paraan. Mas mabilis silang mag-isip, mas matuto, at mag-navigate sa maze. Marahil, ang mga chimeric na daga ay hindi nag-iisip tulad ng mga tao, ngunit, marahil, naramdaman nila ang kanilang sarili sa ibang yugto ng ebolusyon.

Gayunpaman, ang mga rodent ay malayo sa mga perpektong modelo para sa pag-aaral ng utak ng tao. Ang katotohanan ay ang tisyu ng nerbiyos ng tao ay tumatanda ayon sa ilang panloob na molekular na orasan, at ang paglipat nito sa ibang organismo ay hindi nagpapabilis sa prosesong ito. Isinasaalang-alang na ang mga daga ay nabubuhay lamang ng dalawang taon, at ang buong pagbuo ng isang utak ng tao ay tumatagal ng ilang dekada, ang anumang pangmatagalang proseso sa format ng isang chimeric na utak ay hindi maaaring pag-aralan. Marahil ang hinaharap ng neuroscience ay pag-aari pa rin ng mga utak ng tao sa mga aquarium - upang malaman kung gaano ito etikal, kailangan lang matutunan ng mga siyentipiko kung paano magbasa ng isip, at ang modernong teknolohiya ay tila magagawa ito sa lalong madaling panahon.