Kuinka tutkijat tutkivat ihmisen aivoja erillään kehosta

2024 Kirjoittaja: Malcolm Clapton | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 03:55

Kuinka tiedemiehet luovat malleja ihmisaivoista ja mitä eettisiä kysymyksiä tällainen tutkimus herättää.

Nature-lehti julkaisi The ethics of experimenting with human aivokudoksen, 17 johtavan neurotieteilijän yhteisen kirjeen, jossa tutkijat keskustelivat edistymisestä ihmisaivomallien kehittämisessä. Asiantuntijoiden pelot ovat seuraavat: luultavasti lähitulevaisuudessa mallit kehittyvät niin pitkälle, että ne alkavat toistaa paitsi ihmisen aivojen rakennetta, myös toimintoja.

Onko mahdollista luoda "koeputkeen" hermokudoksen pala, jolla on tajunta? Tiedemiehet tuntevat eläinten aivojen rakenteen pienimmissäkin yksityiskohdissa, mutta eivät ole vieläkään selvittäneet, mitkä rakenteet "koodaavat" tietoisuutta ja kuinka mitata sen läsnäolo, jos puhumme eristetyistä aivoista tai sen samankaltaisuudesta.

Aivot akvaariossa

"Kuvittele, että heräät eristetyssä aistinvaraisessa kammiossa – ympärillä ei ole valoa, ääntä, ei ulkoisia ärsykkeitä. Vain tietoisuutesi roikkuu tyhjiössä."

Tämä on kuva etitikoista, jotka kommentoivat Yalen yliopiston neurotieteilijän Nenad Sestanin lausuntoa, jonka mukaan hänen tiiminsä pystyi pitämään eristetyt sian aivot hengissä 36 tuntia.

Tutkijat pitävät sian aivot elossa kehon ulkopuolella. Raportti onnistuneesta kokeesta tehtiin Yhdysvaltain kansallisten terveysinstituuttien eettisen komitean kokouksessa tämän vuoden maaliskuun lopulla. Hän sanoi, että käyttämällä BrainEx-nimistä lämmitettyä pumppujärjestelmää ja synteettistä verenkorviketta, tutkijat ylläpisivät nestekiertoa ja hapen saantia satojen teurastamossa tapettujen eläinten eristettyihin aivoihin pari tuntia ennen koetta.

Elimet pysyivät elossa miljardien yksittäisten hermosolujen toiminnan jatkuvuuden perusteella. Tutkijat eivät kuitenkaan voi sanoa, säilyivätkö "akvaarioon" sijoitetut sian aivot tajunnan merkkejä. Sähköisen toiminnan puuttuminen, joka testattiin standardoidulla tavalla elektroenkefalogrammilla, sai Sestanin vakuuttuneeksi siitä, että "nämä aivot eivät ole huolissaan mistään". On mahdollista, että eläimen eristetyt aivot olivat koomassa, mitä erityisesti liuoksen aineosat saattoivat helpottaa sitä pesemällä.

Kirjoittajat eivät paljasta kokeen yksityiskohtia - he valmistelevat julkaisua tieteellisessä lehdessä. Siitä huolimatta jopa Sestanin yksityiskohtien puutteellinen raportti herätti suurta kiinnostusta ja paljon spekulaatioita tekniikan jatkokehityksestä. Näyttää siltä, että aivojen säilyttäminen ei ole teknisesti paljon vaikeampaa kuin minkä tahansa muun elimen, kuten sydämen tai munuaisen, säilyttäminen siirtoa varten.

Tämä tarkoittaa, että teoriassa on mahdollista säilyttää ihmisen aivot enemmän tai vähemmän luonnollisessa tilassa.

Eristetyt aivot voisivat olla hyvä malli esimerkiksi huumeiden tutkimukselle: olemassa olevat rajoitukset koskevat kuitenkin eläviä ihmisiä, eivät yksittäisiä elimiä. Kuitenkin eettisestä näkökulmasta tässä herää monia kysymyksiä. Jopa aivokuolemakysymys jää tutkijoille "harmaaksi alueeksi" - muodollisista lääketieteellisistä kriteereistä huolimatta on olemassa useita samanlaisia sairauksia, joista paluu normaaliin elämäntoimintaan on edelleen mahdollista. Mitä voimme sanoa tilanteesta, kun väitämme, että aivot pysyvät hengissä. Entä jos aivot, jotka ovat eristettyinä kehosta, säilyttävät edelleen osan tai kaikki persoonallisuuden piirteet? Sitten on täysin mahdollista kuvitella artikkelin alussa kuvattu tilanne.

Siellä missä tietoisuus piilee

Huolimatta siitä, että 1900-luvun 80-luvulle asti sielun ruumiista erottavan dualismin teorian kannattajia oli tiedemiesten keskuudessa, nykyaikana jopa psyykettä tutkivat filosofit ovat yhtä mieltä siitä, että kaikki, mitä kutsumme tietoisuudeksi, syntyy. aineellisilla aivoilla (historia Kysymys voidaan lukea tarkemmin esimerkiksi tästä luvusta Missä on tietoisuus: Historia of the Issue and Prospects of Search Nobel-palkitun Eric Kandelin kirjasta "In Search of Memory").

Lisäksi nykyaikaisilla tekniikoilla, kuten toiminnallisella magneettikuvauksella, tutkijat voivat seurata, mitkä aivoalueet aktivoituvat tiettyjen henkisten harjoitusten aikana. Siitä huolimatta käsitys tietoisuudesta kokonaisuutena on liian lyhytaikainen, eivätkä tiedemiehet ole vieläkään yksimielisiä siitä, onko se koodattu aivoissa tapahtuvien prosessien sarjalla vai ovatko tietyt hermokorrelaatit vastuussa siitä.

Kuten Kandel sanoo kirjassaan, potilailla, joilla on kirurgisesti erotettu aivopuolisko, tietoisuus jakautuu kahteen osaan, joista kukin havaitsee itsenäisen kuvan maailmasta.

Nämä ja vastaavat tapaukset neurokirurgisesta käytännöstä osoittavat ainakin, että tajunnan olemassaoloon ei vaadita aivojen eheyttä symmetrisenä rakenteena. Jotkut tutkijat, mukaan lukien DNA:n rakenteen löytäjä Francis Crick, joka elämänsä lopussa kiinnostui neurotieteestä, uskovat, että tietoisuuden läsnäolo määräytyy aivojen erityisten rakenteiden perusteella.

Ehkä nämä ovat tiettyjä hermopiirejä, tai ehkä pointti on aivojen apusoluissa - astrosyyteissä, jotka ihmisissä muihin eläimiin verrattuna ovat melko erikoistuneita. Tavalla tai toisella tiedemiehet ovat jo saavuttaneet ihmisen aivojen yksittäisten rakenteiden mallintamisen in vitro ("in vitro") tai jopa in vivo (osana eläinten aivoja).

Herää bioreaktorissa

Ei tiedetä, kuinka pian ihmiskehosta erotetuilla kokonaisilla aivoilla tehdään kokeita - ensin neurotieteilijöiden ja etitikoiden on sovittava pelisäännöt. Siitä huolimatta petrimaljojen ja bioreaktorien laboratorioissa kolmiulotteisten ihmisen aivoviljelmien nousu kasvattaa jo "miniaivoja", jotka jäljittelevät "suurten" ihmisaivojen tai sen tiettyjen osien rakennetta.

Alkion kehitysprosessissa sen elimet muodostuvat tiettyihin vaiheisiin asti jonkin geeneille ominaisen ohjelman mukaan itseorganisaatioperiaatteen mukaisesti. Hermosto ei ole poikkeus. Tutkijat havaitsivat, että jos hermokudoksen erilaistuminen soluiksi indusoidaan kantasoluviljelmässä tiettyjen aineiden avulla, tämä johtaa spontaaneihin uudelleenjärjestelyihin soluviljelmässä, jotka ovat samanlaisia kuin alkion hermoputken morfogeneesin aikana.

Tällä tavalla "oletusarvoisesti" indusoidut kantasolut erilaistuvat lopulta aivokuoren hermosoluiksi, mutta lisäämällä petrimaljalle ulkopuolelta tulevia signalointimolekyylejä voidaan saada esimerkiksi keskiaivojen, aivojuovion tai selkäytimen soluja. Kävi ilmi, että alkion kantasoluista peräisin oleva kortikogeneesin luontainen mekanismi voidaan kasvattaa maljassa, todellisessa aivokuoressa, kuten aivoissa, joka koostuu useista hermosolukerroksista ja sisältää apuastrosyyttejä.

On selvää, että kaksiulotteiset kulttuurit edustavat erittäin yksinkertaistettua mallia. Hermokudoksen itseorganisoituva periaate auttoi tutkijoita siirtymään nopeasti kolmiulotteisiin rakenteisiin, joita kutsutaan sferoideiksi ja aivoorganelleiksi. Kudosorganisaatioprosessiin voivat vaikuttaa muutokset alkuolosuhteissa, kuten alkuviljelytiheys ja solujen heterogeenisyys, sekä eksogeeniset tekijät. Moduloimalla tiettyjen signaalikaskadien aktiivisuutta on jopa mahdollista saavuttaa kehittyneiden rakenteiden muodostuminen organoidissa, kuten optinen kuppi verkkokalvon epiteelin kanssa, joka reagoi solujen monimuotoisuuteen ja verkkodynamiikkaan valoherkissä ihmisen aivojen organoideissa valoon.

Erityisen suonen käyttö ja käsittely kasvutekijöillä antoivat tutkijoille mahdollisuuden saada määrätietoisesti Ihmisen aivokuoren kehityksen mallintamista in vitro käyttämällä indusoituja pluripotentteja kantasoluja - ihmisen aivoorganisaatiota, joka vastaa etuaivoja (puolipalloja) aivokuorella, jonka kehitystä päätellen geenien ja merkkiaineiden ilmentyminen vastasi sikiön kehityksen ensimmäistä kolmannesta …

Ja Stanfordin tutkijat Sergiu Pascan johdolla ovat kehittäneet funktionaalisia aivokuoren hermosoluja ja astrosyyttejä ihmisen pluripotenteista kantasoluista 3D-viljelmässä, tavan kasvattaa etuaivoja jäljitteleviä möykkyjä suoraan petrimaljassa. Tällaisten "aivojen" koko on noin 4 millimetriä, mutta 9-10 kuukauden kypsymisen jälkeen tämän rakenteen aivokuoren neuronit ja astrosyytit vastaavat syntymänjälkeistä kehitystasoa, eli vauvan kehitystasoa välittömästi syntymän jälkeen.

Tärkeää on, että kantasoluja tällaisten rakenteiden kasvattamiseksi voidaan ottaa tietyiltä ihmisiltä, esimerkiksi potilailta, joilla on geneettisesti määrättyjä hermoston sairauksia. Ja geenitekniikan edistysaskeleet viittaavat siihen, että tutkijat voivat pian tarkkailla in vitro neandertalin tai denisovan aivojen kehitystä.

Itävallan tiedeakatemian molekyylibioteknologian instituutin tutkijat julkaisivat vuonna 2013 artikkelin Cerebral organoids model human brain development and microcephalia, jossa kuvataan "pieniaivojen" viljelyä kahden tyyppisistä kantasoluista bioreaktorissa, joka jäljittelee koko ihmisaivojen rakennetta.

Organoidin eri vyöhykkeet vastasivat aivojen eri osia: taka-, keski- ja etuaivot, ja "etuaivot" jopa osoittivat edelleen erilaistumista lohkoiksi ("puolipalloiksi"). Tärkeää on, että näissä miniaivoissa, jotka eivät myöskään ylittäneet muutamaa millimetriä, tutkijat havaitsivat aktiivisuuden merkkejä, erityisesti kalsiumin pitoisuuden vaihteluita hermosolujen sisällä, jotka toimivat indikaattorina niiden virityksestä (voit lukea yksityiskohtaisesti tästä kokeilusta täällä).

Tiedemiesten tavoitteena ei ollut ainoastaan toistaa aivojen evoluutiota in vitro, vaan myös tutkia molekyyliprosesseja, jotka johtavat mikrokefaliaan - kehityshäiriöön, jota esiintyy erityisesti, kun alkio on saanut Zika-viruksen tartunnan. Tätä varten työn tekijät ovat kasvattaneet potilaan soluista samat miniaivot.

Vaikuttavista tuloksista huolimatta tutkijat olivat vakuuttuneita siitä, että tällaiset organellit eivät kyenneet ymmärtämään mitään. Ensinnäkin todelliset aivot sisältävät noin 80 miljardia neuronia, ja kasvanut organoidi sisältää useita suuruusluokkia vähemmän. Näin ollen miniaivot eivät yksinkertaisesti pysty fyysisesti täysin suorittamaan todellisten aivojen toimintoja.

Toiseksi "in vitro" -kehityksen erityispiirteistä johtuen jotkin sen rakenteet sijaitsivat melko kaoottisesti ja muodostivat vääriä, ei-fysiologisia yhteyksiä toisiinsa. Jos miniaivot ajattelivat jotain, se oli selvästi jotain epätavallista meille.

Osastojen vuorovaikutuksen ongelman ratkaisemiseksi neurotieteilijät ovat ehdottaneet aivojen mallintamista uudelle tasolle, jota kutsutaan "assembloideiksi". Niiden muodostumista varten organelleja kasvatetaan ensin erikseen, mikä vastaa yksittäisiä aivojen osia, ja sitten ne yhdistetään.

Tämän lähestymistavan tutkijat käyttivät toiminnallisesti integroitujen ihmisen etuaivojen sferoidien kokoonpanoa tutkiakseen, kuinka niin sanotut interneuronit, jotka ilmaantuvat sen jälkeen, kun suurin osa hermosoluista on muodostunut siirtymällä viereisestä etuaivosta, liitetään aivokuoreen. Kahdesta hermokudoksesta saadut koostumukset ovat mahdollistaneet interneuronien migraatiohäiriöiden tutkimisen epilepsia- ja autismipotilailla.

Herää jonkun muun kehoon

Kaikista parannuksista huolimatta aivot putkessa -kykyä rajoittaa vakavasti kolme perusehtoa. Ensinnäkin heillä ei ole verisuonijärjestelmää, jonka avulla he voivat toimittaa happea ja ravinteita sisäisiin rakenteisiinsa. Tästä syystä miniaivojen kokoa rajoittaa molekyylien kyky diffundoitua kudoksen läpi. Toiseksi heillä ei ole immuunijärjestelmää, jota edustavat mikrogliasolut: normaalisti nämä solut siirtyvät keskushermostoon ulkopuolelta. Kolmanneksi liuoksessa kasvavalla rakenteella ei ole tiettyä kehon tarjoamaa mikroympäristöä, mikä rajoittaa sen saavuttavien signaalimolekyylien määrää. Ratkaisu näihin ongelmiin voisi olla mallieläinten luominen kimeerisillä aivoilla.

Amerikkalaisten Salk-instituutin tutkijoiden Fred Gagen johdolla tuore työ An in vivo -malli toiminnallisista ja verisuonituista ihmisen aivojen organoideista kuvaa ihmisen aivoorganellin (eli miniaivojen) integroimista hiiren aivoihin.. Tätä varten tutkijat lisäsivät ensin vihreän fluoresoivan proteiinin geenin kantasolujen DNA:han, jotta kehittyvän hermokudoksen kohtaloa voitaisiin tarkkailla mikroskoopilla. Näistä soluista kasvatettiin organoideja 40 päivän ajan, ja ne istutettiin sitten immuunivajavan hiiren taka-splenaalisessa aivokuoressa olevaan onteloon. Kolme kuukautta myöhemmin implantti juurtui 80 prosentissa eläimistä.

Hiirten kimeerisiä aivoja analysoitiin kahdeksan kuukauden ajan. Kävi ilmi, että organoidi, joka oli helposti erotettavissa fluoresoivan proteiinin luminesenssilla, integroitui onnistuneesti, muodosti haarautuneen verisuoniverkoston, kasvatti aksoneja ja muodosti synapsseja isäntäaivojen hermoprosessien kanssa. Lisäksi mikrogliasolut ovat siirtyneet isännästä implanttiin. Lopuksi tutkijat vahvistivat hermosolujen toiminnallisen toiminnan - he osoittivat sähköistä aktiivisuutta ja kalsiumin vaihteluita. Siten ihmisen "mini-aivot" tulivat täysin hiiren aivojen koostumukseen.

Yllättäen ihmisen hermokudoksen osan integroituminen ei vaikuttanut kokeellisten hiirten käyttäytymiseen. Tilaoppimisen testissä hiiret, joilla oli kimeeriset aivot, suoriutuivat samoin kuin normaalit hiiret, ja niillä oli jopa huonompi muisti - tutkijat selittivät tämän sillä, että he tekivät aivokuoreen reiän istutusta varten.

Tämän työn tavoitteena ei kuitenkaan ollut saada älykäs hiiri, jolla on ihmistietoisuus, vaan luoda in vivo -malli ihmisen aivoorganelleista, jotka on varustettu verisuoniverkostolla ja mikroympäristöllä erilaisiin biolääketieteellisiin tarkoituksiin.

Rochesterin yliopiston Translationaalisen neurolääketieteen keskuksen tutkijat järjestivät vuonna 2013 täysin erilaisen kokeen, jossa ihmisen glia-progenitorisolujen aiheuttama etuaivojen istutus parantaa synaptista plastisuutta ja oppimista aikuisilla hiirillä. Kuten aiemmin mainittiin, ihmisen apuaivosolut (astrosyytit) ovat hyvin erilaisia kuin muiden eläinten, erityisesti hiirten, solut. Tästä syystä tutkijat ehdottavat, että astrosyyteillä on tärkeä rooli ihmisen aivojen toimintojen kehittämisessä ja ylläpidossa. Testaakseen, kuinka kimeeriset hiiren aivot kehittyisivät ihmisen astrosyyttien kanssa, tutkijat istuttivat auttajasolujen esiasteita hiiren alkioiden aivoihin.

Kävi ilmi, että kimeerisissä aivoissa ihmisen astrosyytit toimivat kolme kertaa nopeammin kuin hiiret. Lisäksi kimeeriset aivot omaavat hiiret osoittautuivat monella tapaa huomattavasti tavallista älykkäämmiksi. He olivat nopeampia ajattelemaan, oppimaan paremmin ja navigoivat sokkelossa. Todennäköisesti kimeeriset hiiret eivät ajattele kuten ihmiset, mutta ehkä he saattoivat tuntea olevansa eri evoluutiovaiheessa.

Jyrsijät eivät kuitenkaan ole ihanteellisia malleja ihmisen aivojen tutkimiseen. Tosiasia on, että ihmisen hermokudos kypsyy jonkin sisäisen molekyylikellon mukaan, eikä sen siirtyminen toiseen organismiin nopeuttaa tätä prosessia. Ottaen huomioon, että hiiret elävät vain kaksi vuotta ja ihmisen aivojen täydellinen muodostuminen kestää pari vuosikymmentä, mitään pitkäaikaisia prosesseja kimeeristen aivojen muodossa ei voida tutkia. Ehkä neurotieteen tulevaisuus kuuluu edelleen ihmisaivoille akvaarioissa - saadakseen selville, kuinka eettistä se on, tutkijoiden on vain opittava lukemaan ajatuksia, ja nykyaikainen tekniikka näyttää pystyvän siihen pian.