Kā pētnieki pēta cilvēka smadzenes atsevišķi no ķermeņa

2024 Autors: Malcolm Clapton | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 04:04

Kā zinātnieki veido cilvēka smadzeņu modeļus un kādas ētiskas problēmas rada šādi pētījumi.

Žurnāls Nature publicēja 17 pasaules vadošo neirozinātnieku kolektīvu vēstuli The ethics of experimenting with human brain audu, kurā zinātnieki apsprieda progresu cilvēka smadzeņu modeļu izstrādē. Speciālistu bailes ir šādas: iespējams, jau tuvākajā nākotnē modeļi kļūs tik attīstīti, ka sāks atveidot ne tikai cilvēka smadzeņu uzbūvi, bet arī funkcijas.

Vai ir iespējams "mēģenē" izveidot nervu audu gabalu, kam ir apziņa? Zinātnieki zina dzīvnieku smadzeņu uzbūvi vissīkākajā detaļā, taču joprojām nav sapratuši, kuras struktūras "kodē" apziņu un kā izmērīt tās klātbūtni, ja runājam par izolētām smadzenēm vai to līdzību.

Smadzenes akvārijā

“Iedomājieties, ka pamostos izolētā sensoro atņemšanas kamerā - apkārt nav gaismas, skaņas, nav ārēju stimulu. Tikai jūsu apziņa karājas tukšumā."

Tāds ir ētikas zinātnieku attēls, kas komentē Jēlas universitātes neirozinātnieka Nenada Sestana paziņojumu, ka viņa komanda spēja noturēt izolētas cūkas smadzenes dzīvas 36 stundas.

Pētnieki uztur cūku smadzenes dzīvas ārpus ķermeņa ziņojuma par veiksmīgu eksperimentu, kas tika sagatavots ASV Nacionālā veselības institūta Ētikas komitejas sanāksmē šā gada marta beigās. Viņš teica, ka, izmantojot apsildāmu sūkņu sistēmu, ko sauc par BrainEx, un sintētisko asins aizstājēju, pētnieki uzturēja šķidruma cirkulāciju un skābekļa piegādi izolētajām smadzenēm simtiem dzīvnieku, kas nogalināti kautuvē pāris stundas pirms eksperimenta.

Orgāni palika dzīvi, spriežot pēc miljardu atsevišķu neironu aktivitātes noturības. Zinātnieki gan nevar pateikt, vai "akvārijā" ievietotās cūku smadzenes saglabājušas apziņas pazīmes. Elektriskās aktivitātes trūkums, kas tika pārbaudīts standartizētā veidā, izmantojot elektroencefalogrammu, pārliecināja Sestanu, ka "šīs smadzenes ne par ko neuztraucas". Iespējams, ka dzīvnieka izolētās smadzenes atradās komā, ko īpaši varētu veicināt šķīduma sastāvdaļas, kas tās mazgāja.

Eksperimenta detaļas autori neatklāj - viņi gatavo publikāciju zinātniskā žurnālā. Neskatoties uz to, pat detaļās nabadzīgais Sestana ziņojums izraisīja lielu interesi un daudz spekulāciju par tehnoloģijas tālāko attīstību. Šķiet, ka smadzeņu saglabāšana nav tehniski daudz grūtāka nekā jebkura cita orgāna saglabāšana transplantācijai, piemēram, sirds vai nieres.

Tas nozīmē, ka teorētiski ir iespējams saglabāt cilvēka smadzenes vairāk vai mazāk dabiskā stāvoklī.

Izolētas smadzenes varētu būt labs modelis, piemēram, narkotiku izpētei: galu galā esošie normatīvie ierobežojumi attiecas uz dzīviem cilvēkiem, nevis uz atsevišķiem orgāniem. Tomēr no ētiskā viedokļa šeit rodas daudz jautājumu. Pat jautājums par smadzeņu nāvi pētniekiem joprojām ir "pelēkā zona" - neskatoties uz formālu medicīnisku kritēriju esamību, ir vairāki līdzīgi apstākļi, no kuriem joprojām ir iespējama atgriešanās pie normālas dzīves aktivitātes. Ko mēs varam teikt par situāciju, kad mēs apgalvojam, ka smadzenes paliek dzīvas. Ko darīt, ja smadzenes, kas izolētas no ķermeņa, turpina saglabāt dažas vai visas personības iezīmes? Tad ir pilnīgi iespējams iedomāties situāciju, kas aprakstīta raksta sākumā.

Kur slēpjas apziņa

Neskatoties uz to, ka līdz pat 20. gadsimta 80. gadiem zinātnieku vidū pastāvēja duālisma teorijas, kas atdala dvēseli no ķermeņa, piekritēji, mūsdienās pat psihi pētošie filozofi ir vienisprātis, ka viss, ko mēs saucam par apziņu, ir ģenerēts. ar materiālajām smadzenēm (vēsture Sīkāk jautājumu var izlasīt, piemēram, šajā nodaļā Kur ir apziņa: problēmas vēsture un meklēšanas perspektīvas no Nobela prēmijas laureāta Ērika Kandela grāmatas "Atmiņas meklējumos").

Turklāt, izmantojot modernas metodes, piemēram, funkcionālo magnētiskās rezonanses attēlveidošanu, zinātnieki var izsekot, kuri smadzeņu apgabali tiek aktivizēti konkrētu garīgo vingrinājumu laikā. Neskatoties uz to, apziņas jēdziens kopumā ir pārāk īslaicīgs, un zinātnieki joprojām nav vienisprātis par to, vai to iekodē smadzenēs notiekošo procesu kopums, vai arī par to ir atbildīgas noteiktas nervu korelācijas.

Kā savā grāmatā saka Kandels, pacientiem ar ķirurģiski atdalītām smadzeņu puslodēm apziņa tiek sadalīta divās daļās, no kurām katra uztver neatkarīgu pasaules ainu.

Šie un līdzīgi gadījumi no neiroķirurģijas prakses liecina vismaz par to, ka apziņas pastāvēšanai smadzeņu kā simetriskas struktūras integritāte nav nepieciešama. Daži zinātnieki, tostarp DNS struktūras atklājējs Frensiss Kriks, kurš dzīves beigās sāka interesēties par neirozinātnēm, uzskata, ka apziņas klātbūtni nosaka specifiskas struktūras smadzenēs.

Varbūt tās ir noteiktas nervu ķēdes, vai varbūt runa ir smadzeņu palīgšūnās - astrocītos, kas cilvēkiem, salīdzinot ar citiem dzīvniekiem, ir diezgan augsti specializēti. Tā vai citādi zinātnieki jau ir sasnieguši cilvēka smadzeņu atsevišķu struktūru modelēšanu in vitro (“in vitro”) vai pat in vivo (kā dzīvnieku smadzeņu daļu).

Pamosties bioreaktorā

Nav zināms, cik drīzumā tiks veikti eksperimenti ar veselām smadzenēm, kas iegūtas no cilvēka ķermeņa – vispirms neirozinātniekiem un ētikas speciālistiem jāvienojas par spēles noteikumiem. Neskatoties uz to, laboratorijās Petri trauciņos un bioreaktoros trīsdimensiju cilvēka smadzeņu kultūru pieaugums jau rada "minismadzenes", kas atdarina "lielo" cilvēka smadzeņu vai to specifisko daļu struktūru.

Embrija attīstības procesā tā orgāni tiek veidoti līdz noteiktiem posmiem saskaņā ar kādu gēniem raksturīgu programmu pēc pašorganizēšanās principa. Nervu sistēma nav izņēmums. Pētnieki atklāja, ka, ja cilmes šūnu kultūrā ar noteiktu vielu palīdzību tiek ierosināta diferenciācija nervu audu šūnās, tas izraisa spontānus pārkārtojumus šūnu kultūrā, līdzīgi tiem, kas notiek embrionālās nervu caurules morfoģenēzes laikā.

Šādā veidā "pēc noklusējuma" inducētas cilmes šūnas galu galā diferencējas par smadzeņu garozas neironiem, tomēr, pievienojot Petri trauciņai signālmolekulas no ārpuses, piemēram, var iegūt vidussmadzeņu, striatuma vai muguras smadzeņu šūnas. Izrādījās, ka traukā, īstā garozā, tāpat kā smadzenēs, var izaudzēt būtisku kortikoģenēzes mehānismu no embriju cilmes šūnām, kas sastāv no vairākiem neironu slāņiem un satur palīgastrocītus.

Ir skaidrs, ka divdimensiju kultūras ir ļoti vienkāršots modelis. Nervu audu pašorganizējošais princips palīdzēja zinātniekiem ātri pāriet uz trīsdimensiju struktūrām, ko sauc par sferoīdiem un smadzeņu organellām. Audu organizācijas procesu var ietekmēt izmaiņas sākotnējos apstākļos, piemēram, sākotnējais kultūras blīvums un šūnu neviendabīgums, kā arī eksogēni faktori. Modulējot noteiktu signalizācijas kaskāžu aktivitāti, ir pat iespējams panākt progresīvu struktūru veidošanos organoīdā, piemēram, optisko kausu ar tīklenes epitēliju, kas reaģē uz gaismu šūnu daudzveidību un tīkla dinamiku gaismjutīgajos cilvēka smadzeņu organoīdos.

Speciāla trauka izmantošana un apstrāde ar augšanas faktoriem ļāva zinātniekiem mērķtiecīgi iegūt Cilvēka garozas attīstības modelēšanu in vitro, izmantojot inducētas pluripotentās cilmes šūnas – cilvēka smadzeņu organoīdu, kas atbilst priekšsmadzenēm (puslodēm) ar garozu, kuras attīstību, spriežot pēc gēnu un marķieru ekspresija, atbilda augļa attīstības pirmajam trimestram …

Un Stenfordas zinātnieki, kuru vadīja Sergiu Pasca, ir izstrādājuši funkcionālos garozas neironus un astrocītus no cilvēka pluripotentām cilmes šūnām 3D kultūrā - veidu, kā Petri trauciņā izaudzēt ķekarus, kas atdarina priekšējās smadzenes. Šādu "smadzeņu" izmērs ir aptuveni 4 milimetri, bet pēc 9-10 mēnešu nobriešanas kortikālie neironi un astrocīti šajā struktūrā atbilst pēcdzemdību attīstības līmenim, tas ir, mazuļa attīstības līmenim uzreiz pēc piedzimšanas.

Būtiski, ka cilmes šūnas šādu struktūru audzēšanai var ņemt no konkrētiem cilvēkiem, piemēram, no pacientiem ar ģenētiski noteiktām nervu sistēmas slimībām. Un gēnu inženierijas sasniegumi liecina, ka zinātnieki drīzumā varēs novērot neandertālieša vai denisova smadzeņu attīstību in vitro.

2013. gadā Austrijas Zinātņu akadēmijas Molekulārās biotehnoloģijas institūta pētnieki publicēja rakstu Smadzeņu organoīdi modelē cilvēka smadzeņu attīstību un mikrocefāliju, aprakstot "miniatūru smadzeņu" kultivēšanu no divu veidu cilmes šūnām bioreaktorā, kas atdarina visu cilvēka smadzeņu struktūra.

Dažādas organoīda zonas atbilda dažādām smadzeņu daļām: aizmugurējā, vidējā un priekšējā, un "priekšsmadzenes" pat parādīja tālāku diferenciāciju daivās ("puslodēs"). Svarīgi, ka šajās mini smadzenēs, kuru izmērs arī nepārsniedza dažus milimetrus, zinātnieki novēroja aktivitātes pazīmes, jo īpaši kalcija koncentrācijas svārstības neironos, kas kalpo kā indikators to ierosināšanai (var lasīt sīkāk par šo eksperimentu šeit).

Zinātnieku mērķis bija ne tikai reproducēt smadzeņu evolūciju in vitro, bet arī izpētīt molekulāros procesus, kas noved pie mikrocefālijas - attīstības anomālijas, kas rodas, jo īpaši, ja embrijs tiek inficēts ar Zikas vīrusu. Šim nolūkam darba autori no pacienta šūnām ir izaudzējuši tādas pašas minismadzenes.

Neskatoties uz iespaidīgajiem rezultātiem, zinātnieki bija pārliecināti, ka šādas organellas neko nespēj realizēt. Pirmkārt, reālās smadzenes satur aptuveni 80 miljardus neironu, un izaugušajā organoīdā ir par vairākām kārtām mazāk. Tādējādi minismadzenes vienkārši fiziski nav spējīgas pilnībā veikt īstu smadzeņu funkcijas.

Otrkārt, "in vitro" attīstības īpatnību dēļ dažas tās struktūras atradās diezgan haotiski un veidoja savā starpā nepareizas, nefizioloģiskas saiknes. Ja minismadzenes kaut ko domāja, tas noteikti bija kaut kas neparasts mums.

Lai atrisinātu departamentu mijiedarbības problēmu, neirozinātnieki ierosinājuši modelēt smadzenes jaunā līmenī, ko sauc par "assembloīdiem". To veidošanai organellas vispirms audzē atsevišķi, kas atbilst atsevišķām smadzeņu daļām, un pēc tam tās tiek apvienotas.

Šīs pieejas zinātnieki izmantoja funkcionāli integrētu cilvēka priekšējo smadzeņu sferoīdu komplektu, lai izpētītu, kā garozā tiek iekļauti tā sauktie interneuroni, kas parādās pēc lielākās daļas neironu veidošanās, migrējot no blakus esošās priekšējās smadzenes. Asembloīdi, kas iegūti no divu veidu nervu audiem, ir ļāvuši pētīt interneuronu migrācijas traucējumus pacientiem ar epilepsiju un autismu.

Pamosties kāda cita ķermenī

Pat ar visiem uzlabojumiem smadzenes mēģenē iespējas ir nopietni ierobežotas trīs pamatnosacījumu dēļ. Pirmkārt, viņiem nav asinsvadu sistēmas, kas ļautu piegādāt skābekli un barības vielas iekšējām struktūrām. Šī iemesla dēļ mini smadzeņu izmēru ierobežo molekulu spēja izkliedēties caur audiem. Otrkārt, viņiem nav imūnsistēmas, ko pārstāv mikroglia šūnas: parasti šīs šūnas migrē uz centrālo nervu sistēmu no ārpuses. Treškārt, šķīdumā augošai struktūrai nav noteiktas organisma nodrošinātas mikrovides, kas ierobežo to sasniedzošo signalizācijas molekulu skaitu. Šo problēmu risinājums varētu būt dzīvnieku paraugu izveide ar himēriskām smadzenēm.

Nesenajā Solka institūta amerikāņu zinātnieku darbā Freda Geidža vadībā In vivo funkcionālo un vaskularizēto cilvēka smadzeņu organoīdu modelis apraksta cilvēka smadzeņu organellu (tas ir, mini smadzeņu) integrāciju peles smadzenēs.. Lai to paveiktu, zinātnieki vispirms cilmes šūnu DNS ievietoja zaļās fluorescējošās olbaltumvielas gēnu, lai ar mikroskopiju varētu novērot attīstošo nervu audu likteni. No šīm šūnām 40 dienas tika audzēti organoīdi, kas pēc tam tika implantēti imūndeficīta peles retrosplenālās garozas dobumā. Trīs mēnešus vēlāk 80 procentiem dzīvnieku implants iesakņojās.

Peļu himēriskās smadzenes tika analizētas astoņus mēnešus. Izrādījās, ka organoīds, kuru var viegli atšķirt pēc fluorescējoša proteīna luminiscences, veiksmīgi integrējās, izveidoja sazarotu asinsvadu tīklu, izaudzēja aksonus un veidoja sinapses ar saimnieka smadzeņu nervu procesiem. Turklāt mikroglia šūnas ir pārvietotas no saimnieka uz implantu. Visbeidzot pētnieki apstiprināja neironu funkcionālo aktivitāti – tie uzrādīja elektrisko aktivitāti un kalcija līmeņa svārstības. Tādējādi cilvēka "mini smadzenes" pilnībā iekļuva peles smadzeņu sastāvā.

Pārsteidzoši, ka cilvēka nervu audu gabala integrācija neietekmēja eksperimentālo peļu uzvedību. Telpiskās mācīšanās testā pelēm ar himēriskām smadzenēm bija tādas pašas darbības kā parastajām pelēm, un tām pat bija sliktāka atmiņa - pētnieki to skaidroja ar faktu, ka implantācijai tās izveidoja caurumu smadzeņu garozā.

Neskatoties uz to, šī darba mērķis nebija iegūt inteliģentu peli ar cilvēka apziņu, bet gan izveidot cilvēka smadzeņu organellu in vivo modeli, kas aprīkots ar asinsvadu tīklu un mikrovidi dažādiem biomedicīnas mērķiem.

2013. gadā Ročesteras Universitātes Translācijas neiromedicīnas centra zinātnieki veica pilnīgi cita veida eksperimentu, kad cilvēka glia cilmes šūnu veikta priekšējo smadzeņu transplantācija uzlabo sinaptisko plastiskumu un mācīšanos pieaugušām pelēm. Kā minēts iepriekš, cilvēka papildu smadzeņu šūnas (astrocīti) ļoti atšķiras no citu dzīvnieku, jo īpaši pelēm, šūnām. Šī iemesla dēļ pētnieki norāda, ka astrocītiem ir svarīga loma cilvēka smadzeņu funkciju attīstībā un uzturēšanā. Lai pārbaudītu, kā himēriskas peles smadzenes attīstās ar cilvēka astrocītiem, zinātnieki peļu embriju smadzenēs iestādīja palīgšūnu prekursorus.

Izrādījās, ka himēriskās smadzenēs cilvēka astrocīti darbojas trīs reizes ātrāk nekā peles. Turklāt peles ar himēriskām smadzenēm daudzos veidos izrādījās ievērojami gudrākas nekā parasti. Viņi ātrāk domāja, labāk mācījās un orientējās labirintā. Iespējams, himēriskās peles nedomāja kā cilvēki, bet, iespējams, varēja justies citā evolūcijas stadijā.

Tomēr grauzēji ir tālu no ideāliem modeļiem cilvēka smadzeņu pētīšanai. Fakts ir tāds, ka cilvēka nervu audi nobriest saskaņā ar kādu iekšējo molekulāro pulksteni, un to pārnešana uz citu organismu nepaātrina šo procesu. Ņemot vērā, ka peles dzīvo tikai divus gadus, un pilnīga cilvēka smadzeņu veidošanās aizņem pāris gadu desmitus, nekādus ilgtermiņa procesus himērisko smadzeņu formātā nav iespējams izpētīt. Iespējams, neirozinātnes nākotne joprojām pieder cilvēku smadzenēm akvārijos – lai noskaidrotu, cik tas ir ētiski, zinātniekiem vienkārši jāiemācās lasīt domas, un šķiet, ka mūsdienu tehnoloģijas to spēs jau drīzumā.