Hur forskare studerar den mänskliga hjärnan isolerad från kroppen

2024 Författare: Malcolm Clapton | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-17 04:11

Hur forskare skapar modeller av den mänskliga hjärnan och vilka etiska frågor sådan forskning väcker.

Tidskriften Nature publicerade The ethics of experimenting with human brain tissue, ett samlat brev från 17 ledande neuroforskare i världen, där forskare diskuterade framsteg i utvecklingen av mänskliga hjärnmodeller. Specialisters rädsla är följande: förmodligen kommer modellerna inom en snar framtid att bli så avancerade att de kommer att börja reproducera inte bara strukturen utan också den mänskliga hjärnans funktioner.

Är det möjligt att skapa "i ett provrör" en bit nervvävnad som har medvetande? Forskare känner till strukturen hos djurens hjärna i minsta detalj, men har fortfarande inte listat ut vilka strukturer som "kodar" medvetandet och hur man mäter dess närvaro, om vi pratar om en isolerad hjärna eller dess likhet.

Hjärnan i akvariet

"Föreställ dig att vakna upp i en isolerad sensorisk deprivationskammare - det finns inget ljus, inget ljud, inga yttre stimuli runt omkring. Bara ditt medvetande, hängande i tomrummet."

Det är bilden av etiker som kommenterar ett uttalande av neuroforskaren Nenad Sestan från Yale University om att hans team kunde hålla en isolerad grishjärna vid liv i 36 timmar.

Forskarna håller grishjärnor vid liv utanför kroppsrapporten om ett framgångsrikt experiment gjordes vid ett möte med etikkommittén för US National Institutes of Health i slutet av mars i år. Med hjälp av ett uppvärmt pumpsystem som heter BrainEx och en syntetisk blodersättning upprätthöll forskarna vätskecirkulationen och syretillförseln till de isolerade hjärnorna hos hundratals djur som dödats i ett slakteri ett par timmar före experimentet, sa han.

Organen förblev vid liv, att döma av ihållande aktiviteten hos miljarder individuella neuroner. Forskare kan dock inte säga om grishjärnorna som placerats i "akvariet" behöll tecken på medvetande. Frånvaron av elektrisk aktivitet, testad på ett standardiserat sätt med hjälp av ett elektroencefalogram, övertygade Sestan om att "den här hjärnan inte är orolig för någonting." Det är möjligt att djurets isolerade hjärna var i koma, vilket i synnerhet kunde underlättas av att komponenterna i lösningen tvättade den.

Författarna avslöjar inte detaljerna i experimentet - de förbereder en publikation i en vetenskaplig tidskrift. Ändå väckte även Sestans detaljfattiga rapport stort intresse och en hel del spekulationer om teknikens vidareutveckling. Det verkar som att bevara hjärnan inte är mycket svårare tekniskt än att bevara något annat organ för transplantation, såsom hjärtat eller njuren.

Det betyder att det teoretiskt är möjligt att bevara den mänskliga hjärnan i ett mer eller mindre naturligt tillstånd.

Isolerade hjärnor skulle kunna vara en bra modell, till exempel för att forska om läkemedel: trots allt gäller befintliga regulatoriska begränsningar för levande människor, och inte för enskilda organ. Men ur etisk synvinkel uppstår många frågor här. Även frågan om hjärndöd förblir en "gråzon" för forskare - trots att det finns formella medicinska kriterier finns det ett antal liknande tillstånd, från vilka en återgång till normal livsaktivitet fortfarande är möjlig. Vad kan vi säga om situationen när vi hävdar att hjärnan förblir vid liv. Tänk om hjärnan, isolerad från kroppen, fortsätter att behålla några eller alla personlighetsdragen? Då är det fullt möjligt att föreställa sig situationen som beskrivs i början av artikeln.

Där medvetandet lurar

Trots det faktum att det fram till 80-talet av 1900-talet fanns anhängare av teorin om dualism, som skiljer själen från kroppen, bland forskare, i vår tid är även filosofer som studerar psyket överens om att allt som vi kallar medvetande genereras av den materiella hjärnan (historia Frågan kan läsas mer i detalj, till exempel i detta kapitel Where is Consciousness: History of the Issue and Prospects of Search från Nobelpristagaren Eric Kandels bok "In Search of Memory").

Dessutom, med moderna tekniker som funktionell magnetisk resonanstomografi kan forskare spåra vilka delar av hjärnan som aktiveras under specifika mentala övningar. Ändå är begreppet medvetande som helhet alltför tillfälligt, och forskarna är fortfarande inte överens om huruvida det är kodat av en uppsättning processer som sker i hjärnan, eller om vissa neurala korrelat är ansvariga för det.

Som Kandel säger i sin bok, hos patienter med kirurgiskt separerade hjärnhemisfärer, delas medvetandet i två, som var och en uppfattar en oberoende bild av världen.

Dessa och liknande fall från neurokirurgisk praktik indikerar åtminstone att för existensen av medvetande krävs inte hjärnans integritet som en symmetrisk struktur. Vissa forskare, inklusive upptäckaren av DNA-strukturen Francis Crick, som i slutet av sitt liv blev intresserad av neurovetenskap, tror att närvaron av medvetande bestäms av specifika strukturer i hjärnan.

Kanske är det vissa neurala kretsar, eller kanske är poängen i hjärnans hjälpceller - astrocyter, som hos människor, i jämförelse med andra djur, är ganska högspecialiserade. På ett eller annat sätt har forskare redan nått punkten att modellera individuella strukturer i den mänskliga hjärnan in vitro ("in vitro") eller till och med in vivo (som en del av djurens hjärna).

Vakna upp i en bioreaktor

Det är inte känt hur snart det kommer till experiment på hela hjärnor utvunna ur människokroppen – för det första måste neurovetare och etiker komma överens om spelets regler. Icke desto mindre, i laboratorier i petriskålar och bioreaktorer, växer framväxten av tredimensionella mänskliga hjärnkulturer redan "minihjärnor" som efterliknar strukturen hos den "stora" mänskliga hjärnan eller dess specifika delar.

Under utvecklingen av embryot formas dess organ upp till vissa stadier enligt något program som är inneboende i generna enligt principen om självorganisering. Nervsystemet är inget undantag. Forskarna fann att om differentiering till celler i nervvävnaden induceras i stamcellsodling med hjälp av vissa ämnen, leder detta till spontana omarrangemang i cellkultur, liknande de som sker under morfogenesen av det embryonala neuralröret.

Stamceller inducerade på detta sätt "som standard" differentierar i slutändan till neuroner i hjärnbarken, men genom att lägga till signalmolekyler utifrån till en petriskål, till exempel kan celler i mellanhjärnan, striatum eller ryggmärgen erhållas. Det visade sig att en inneboende mekanism för kortikogenes från embryonala stamceller kan odlas i en skål, en riktig cortex, precis som i hjärnan, bestående av flera lager av neuroner och som innehåller hjälpastrocyter.

Det är tydligt att tvådimensionella kulturer representerar en mycket förenklad modell. Den självorganiserande principen för nervvävnad hjälpte forskare att snabbt flytta till tredimensionella strukturer som kallas sfäroider och cerebrala organeller. Processen för vävnadsorganisation kan påverkas av förändringar i initiala förhållanden, såsom initial odlingsdensitet och cellheterogenitet, och av exogena faktorer. Genom att modulera aktiviteten hos vissa signalkaskader är det till och med möjligt att åstadkomma bildning av avancerade strukturer i organoiden, såsom den optiska koppen med retinala epitelet, som reagerar celldiversitet och nätverksdynamik i ljuskänsliga organoider i mänsklig hjärna.

Användningen av ett speciellt kärl och behandling med tillväxtfaktorer gjorde det möjligt för forskare att målmedvetet få fram modellering av mänsklig kortikal utveckling in vitro med hjälp av inducerade pluripotenta stamceller - en mänsklig cerebral organoid som motsvarar framhjärnan (hemisfärerna) med en cortex, vars utveckling, att döma av uttrycket av gener och markörer, motsvarade den första trimestern av fosterutveckling …

Och forskare från Stanford, ledda av Sergiu Pasca, har utvecklat funktionella kortikala neuroner och astrocyter från mänskliga pluripotenta stamceller i 3D-kultur, ett sätt att odla klumpar som efterliknar framhjärnan direkt i en petriskål. Storleken på sådana "hjärnor" är cirka 4 millimeter, men efter 9-10 månaders mognad motsvarar kortikala neuroner och astrocyter i denna struktur den postnatala utvecklingsnivån, det vill säga utvecklingsnivån hos barnet omedelbart efter födseln.

Viktigt är att stamceller för att odla sådana strukturer kan tas från specifika personer, till exempel från patienter med genetiskt betingade sjukdomar i nervsystemet. Och framstegen inom genteknik tyder på att forskare snart kommer att kunna observera in vitro utvecklingen av hjärnan hos en neandertalare eller denisovan.

År 2013 publicerade forskare från Institutet för molekylär bioteknologi vid den österrikiska vetenskapsakademin en artikel Cerebral organoids model human brain development and microcephaly, som beskrev odlingen av en "miniatyrhjärna" från två typer av stamceller i en bioreaktor, som efterliknar strukturen i hela den mänskliga hjärnan.

Olika zoner i organoiden motsvarade olika delar av hjärnan: bakre, mellersta och främre, och "framhjärnan" visade till och med ytterligare differentiering till lober ("hemisfärer"). Viktigt är att i denna minihjärna, som inte heller översteg några millimeter i storlek, observerade forskare tecken på aktivitet, särskilt fluktuationer i koncentrationen av kalcium inuti neuroner, som fungerar som en indikator på deras excitation (du kan läsa i detalj om detta experiment här).

Forskarnas mål var inte bara att reproducera hjärnans utveckling in vitro, utan också att studera de molekylära processer som leder till mikrocefali - en utvecklingsavvikelse som uppstår, särskilt när ett embryo infekteras med Zika-viruset. För detta har författarna till arbetet odlat samma minihjärna från patientens celler.

Trots de imponerande resultaten var forskare övertygade om att sådana organeller var oförmögna att realisera någonting. För det första innehåller den riktiga hjärnan cirka 80 miljarder neuroner, och den odlade organoiden innehåller flera storleksordningar mindre. Således är en minihjärna helt enkelt inte fysiskt kapabel att fullt ut utföra funktionerna hos en riktig hjärna.

För det andra, på grund av särdragen i utvecklingen "in vitro", var några av dess strukturer ganska kaotiska och bildade felaktiga, icke-fysiologiska kopplingar med varandra. Om minihjärnan trodde något så var det helt klart något ovanligt för oss.

För att lösa problemet med samverkan mellan avdelningar har neuroforskare föreslagit att modellera hjärnan på en ny nivå, som kallas "assembloids". För deras bildande odlas organeller först separat, motsvarande enskilda delar av hjärnan, och sedan slås de samman.

Detta tillvägagångssätt forskare använde sammansättningen av funktionellt integrerade mänskliga framhjärnsfäroider för att studera hur de så kallade interneuronerna, som uppträder efter bildandet av huvuddelen av neuroner genom migration från den intilliggande framhjärnan, införlivas i cortex. Assembloider erhållna från två typer av nervvävnad har gjort det möjligt att studera störningar i migrationen av interneuroner hos patienter med epilepsi och autism.

Vakna upp i någon annans kropp

Även med alla förbättringar, är hjärnan-i-ett-rör-kapaciteten allvarligt begränsad av tre grundläggande villkor. För det första har de inte ett kärlsystem som gör att de kan leverera syre och näringsämnen till sina inre strukturer. Av denna anledning begränsas storleken på minihjärnor av molekylers förmåga att diffundera genom vävnad. För det andra har de inget immunsystem, representerat av mikrogliaceller: normalt migrerar dessa celler till det centrala nervsystemet från utsidan. För det tredje har en struktur som växer i lösning inte en specifik mikromiljö som tillhandahålls av kroppen, vilket begränsar antalet signalmolekyler som når den. Lösningen på dessa problem kan vara skapandet av modelldjur med chimära hjärnor.

Det senaste arbetet An in vivo model of functional and vascularized human brain organoids av amerikanska forskare från Salk Institute under ledning av Fred Gage beskriver integrationen av en mänsklig hjärnorganell (det vill säga en minihjärna) i hjärnan på en mus. För att göra detta infogade forskarna först genen för ett grönt fluorescerande protein i stamcellernas DNA så att ödet för den utvecklande nervvävnaden kunde observeras med hjälp av mikroskopi. Organoider odlades från dessa celler i 40 dagar, som sedan implanterades i en hålighet i retrosplenal cortex hos en immunbristmus. Tre månader senare, hos 80 procent av djuren, slog implantatet rot.

De chimära hjärnorna hos mössen analyserades under åtta månader. Det visade sig att organoiden, som lätt kunde särskiljas genom luminescensen av ett fluorescerande protein, framgångsrikt integrerades, bildade ett förgrenat kärlnätverk, växte axoner och bildade synapser med värdhjärnans nervprocesser. Dessutom har mikrogliaceller flyttats från värden till implantatet. Slutligen bekräftade forskarna neuronernas funktionella aktivitet - de visade elektrisk aktivitet och fluktuationer i kalcium. Således kom den mänskliga "minihjärnan" helt in i sammansättningen av mushjärnan.

Överraskande nog påverkade inte integrationen av en bit mänsklig nervvävnad beteendet hos experimentmöss. I ett test för rumslig inlärning presterade möss med chimära hjärnor samma sak som vanliga möss, och hade till och med sämre minne – forskarna förklarade detta med att de för implantation gjorde ett hål i hjärnbarken.

Ändå var målet med detta arbete inte att få en intelligent mus med ett mänskligt medvetande, utan att skapa en in vivo-modell av mänskliga hjärnorganeller utrustade med ett vaskulärt nätverk och mikromiljö för olika biomedicinska ändamål.

Ett experiment av ett helt annat slag iscensattes av Forebrain-engraftment av mänskliga glia-progenitorceller förbättrar synaptisk plasticitet och inlärning hos vuxna möss av forskare vid Center for Translational Neuromedicine vid University of Rochester 2013. Som nämnts tidigare är mänskliga accessoriska hjärnceller (astrocyter) mycket olika från andra djurs, i synnerhet möss. Av denna anledning föreslår forskare att astrocyter spelar en viktig roll i utvecklingen och underhållet av mänskliga hjärnfunktioner. För att testa hur en chimär mushjärna skulle utvecklas med mänskliga astrocyter, planterade forskarna hjälpcellsprekursorer i hjärnan på musembryon.

Det visade sig att i en chimär hjärna arbetar mänskliga astrocyter tre gånger snabbare än möss. Dessutom visade sig möss med chimära hjärnor vara betydligt smartare än vanligt på många sätt. De var snabbare att tänka, lära sig bättre och navigera i labyrinten. Förmodligen tänkte chimära möss inte som människor, men kanske kunde de känna sig själva i ett annat utvecklingsstadium.

Men gnagare är långt ifrån idealiska modeller för att studera den mänskliga hjärnan. Faktum är att mänsklig nervvävnad mognar enligt någon intern molekylär klocka, och dess överföring till en annan organism påskyndar inte denna process. Med tanke på att möss bara lever i två år, och att den fullständiga bildningen av en mänsklig hjärna tar ett par decennier, kan eventuella långsiktiga processer i formatet av en chimär hjärna inte studeras. Kanske hör framtiden för neurovetenskap fortfarande till mänskliga hjärnor i akvarier - för att ta reda på hur etiskt det är behöver forskare bara lära sig att läsa tankar, och modern teknik verkar kunna göra detta snart.