Som forskere studerer den menneskelige hjerne isolert fra kroppen
Forming / / December 19, 2019
Tidsskriftet Nature publisertEtikk eksperimentere med humant hjernevev robin 17 ledende nevrologer, der forskere diskutert fremdriften i utviklingen av den menneskelige hjerne modeller. Frykt for eksperter er som følger: sannsynlig i nær fremtid modellen vil være så avanserte at de skulle spille, ikke bare strukturen, men også den menneskelige hjernen fungerer.
Er det mulig å lage en "in vitro" et stykke av nervevev, har bevissthet? Forskere kjenner hjernens struktur av dyr i stor detalj, men ikke funnet før nå, hva slags struktur "Kode" sinnet og hvordan man kan måle sin tilstedeværelse når det kommer til den isolerte hjernen eller lignende.
Hjernen i akvariet
"Tenk deg at du våknet opp i en isolert isolert tank - rundt det er ingen lys, ingen lyd, ingen ytre stimuli. Bare din bevissthet, hengende i tomrommet. "
Dette bildet representerer seg selv eksperter på etikk, kommenterer en uttalelse fra Yale University hjerneforsker Nenad Sestao (Nenad Sestan) at laget klarte i løpet av 36 timer for å opprettholde isolert gris hjernen i "live" tilstand.
beskjedForskere holder grisehjerner i live utenfor kroppen vellykket eksperiment ble gjort på et møte i Ethics Committee of National Institutes of Health i slutten av mars i år. Ifølge forskeren, ved hjelp av et pumpesystem med oppvarmet med tittelen BrainEx og syntetisk erstatning for blod, forskere understøttet fluidsirkulasjon og oksygentilførsel til flere hundre dyr isolert hjerne, drepes i et slakteri i et par timer før eksperimentere.
Bedømme ved bevaring aktiviteten til milliarder av individuelle nevroner, likene forble i live. Men forskerne kan ikke si om de bevarte svinekjøtt hjernen som er lagt inn i "akvariet", tegn til bevissthet. Fraværet av elektrisk aktivitet, en velprøvd standardmetode ved anvendelse av et elektroencefalogram, overbevist Sestao at "hjernen er heller ikke bekymret om noe." Det er mulig at en isolert dyr hjerne i en tilstand av koma, som, i særdeleshet, kan bidra til å vaske komponentene av sin løsning.
Detaljer om forfatterne ikke avsløre forsøket - de forbereder en publikasjon i et vitenskapelig tidsskrift. Likevel, selv i de fattige delene Sestao rapportere det vakte stor interesse og mange spekulasjoner om den videre utviklingen av teknologi. Angivelig, er bevaring av hjernen ikke er teknisk mye vanskeligere enn noe annet organ bevaring for transplantasjon, for eksempel hjerte eller nyre.
Dette betyr at teoretisk kan lagres i en mer eller mindre naturlig tilstand og den menneskelige hjerne.
Isolerte hjernen kan være en god modell, for eksempel for studier av narkotika: fordi de eksisterende regulatoriske begrensninger gjelder for mennesker, og ikke på de enkelte organer. Men fra et etisk synspunkt, reiser dette mange spørsmål. Selv spørsmålet om hjernen død fortsatt en "gråsone" for forskere - til tross for eksistensen av formelle medisinske kriterier, er det en rekke av lignende tilstander som en retur til normalt liv mer mulig. Hva kan vi si om situasjonen, når vi sier at hjernen er fortsatt i live. Hva om isolert fra kroppen hjernen fortsetter å holdes i seg alle eller noen av de tegn på identitet? Da er det mulig å forestille seg situasjonen beskrevet tidligere i denne artikkelen.
Hvor bevissthet løgner
Til tross for at opp til 80-tallet av XX århundre fantes blant forskere tilhengerne av teorien om dualisme som skiller sjelen fra kroppen, i vår tid, selv filosofer, viet til studiet av psyken, vi er enige om at alt som vi kaller bevissthet er generert av materialet hjernen (historien om problemet kan leses i mer detalj, for eksempel, i dette kapitletHvor er bevissthet: bakgrunn og forskningsperspektiver fra boken av nobelprisvinner Eric Kandel "In Search of Memory").
Dessuten, med dagens teknikker, så som funksjonell magnetic resonance imaging, forskere kan se på hva slags områder av hjernen aktiveres under utførelsen av spesifikke psykiske øvelser. Likevel er begrepet bevissthet som en helhet for flyktig, og forskerne fortsatt ikke enige om det er et sett av prosesser som skjer i hjernen, eller det er kodet oppfylle visse nevrale korrelater.
Det forteller i sin bok, Kandel, hos pasienter med kirurgisk atskilt halvkuler av hjernen bevisstheten, som det ble delt i to, som hver mottar et uavhengig syn på verden.
Disse og lignende tilfeller av nevrokirurgisk praksis indikerer minst det faktum at eksistensen av bevissthet av hjernen integritet som en symmetrisk struktur ikke er nødvendig. Noen forskere, deriblant oppdag av strukturen til DNA, Francis Crick, som ved slutten av livet ble interessert i nevro, er det antatt at nærværet av bevissthet bestemmes av de spesifikke strukturer i hjernen.
Kanskje det er sikkert nevrale kjede, og kan være tilfelle i støtte av hjerneceller - astrocytterAt en person har, sammenlignet med andre dyr, det er ganske spesialiserte. Allikevel, før modellering av individuelle humane hjernestrukturer in vitro ( "In vitro"), eller enda in vivo (Som en del av dyrets hjerne) forskere har allerede nådd.
Våkn opp i bioreaktor
Det er ikke kjent hvor raskt det kommer til eksperimenter på hele hjerner hentet fra kroppen - først spesialister i nevrovitenskap og etikk må bli enige om spillereglene. Likevel, i laboratorier i petriskåler og bioreaktorer allerede blir dyrketFremveksten av tredimensjonale menneskelige hjerne kulturer "Mini-hjerne" som etterligner strukturen av "store" den menneskelige hjerne eller en bestemt avdeling.
Under embryonal utvikling av sine organer dannes i henhold til visse stadier av visse gener innebygd i programmet i henhold til prinsippet om selvorganisering. Er intet unntak og nervesystemet. Forskerne fant at hvis en kultur av stamceller ved hjelp av visse stoffer for å indusere differensiering i nervecellene vev, dette fører til spontan rearrangementer i cellekultur, tilsvarende de som oppstår i løpet av neural rør morphogenesis embryo.
"Standard" indusert på denne måten stamceller differensiere til å ende opp i cortexneuroner hjerne, men ved å legge til eksterne signalmolekyler i en petriskål, kan fremstilles, for eksempel celler midthjernen, striatum eller ryggmargen. Det viste seg at i cupen kan dyrkesEn indre mekanisme av corticogenesis fra embryonale stamceller denne bark, såvel som i hjernen, som består av flere lag av neuroner og astrocytter inneholdende hjelpestoffer.
Det er klart at den to-dimensjonale kulturer er sterkt forenklet modell. Prinsippet om selvorganisering av nervevev har hjulpet forskere til å gå raskt til tredimensjonale strukturer kalt organeller kuler og cerebral. I prosessen med organisering av vev kan bli påvirket av endringer i de opprinnelige tilstander, slik som den initielle densitet av kulturen og heterogeniteten av cellene, og eksogene faktorer. Å modulere aktiviteten av visse signalveier, kan man til og med oppnå dannelse av organelle avanserte konstruksjoner, slik som den optiske koppen med retinal epitel, responsiveCelle mangfold og nettverksdynamikk i lysfølsomme menneskelige hjerne organoids for lys.
Ved hjelp av en spesiell behandling fartøy og vekstfaktorer tillatt forskere mottar retningsModellering menneskelig kortikal utvikling in vitro ved hjelp av induserte pluripotente stamceller human cerebral organoid tilsvarende forhjernen (halvkuler) bark, hvis utvikling i henhold til ekspresjonen av gener og markører, svarer til den første trimester fosterutvikling.
Noen forskere fra Stanford ledet Serghiou Pask (Sergiu Pasca) utvikletFunksjonelle kortikale neuroner og astrocytter fra humane pluripotente stamceller i 3D kultur måte å vokse klumper som simulerer brain direkte i petriskål. Størrelsen på slike "hjerner" på omtrent 4 mm, men etter 9-10 måneders modning kortikale neuroner og astrocytter tilsvarer i denne strukturHumant astrocytt Modning fanges opp i 3D-hjernebark-Sfæroider Avledet fra pluripotent Stem Cells postnatal utviklingsnivå, det vil si nivået på utviklingen av barnet rett etter fødselen.
Viktigere, kan stamcellene til å vokse disse strukturene tas ved bestemte personer, for eksempel hos pasienter med genetisk bestemt sykdommer i nervesystemet. En genteknologi suksess tyder på at forskere vil snart være i stand til å observere in vitro utvikling av Neanderthal hjernen eller denisovtsa.
I 2013 forskere fra Institutt for molekylær bioteknologi av den østerrikske Academy of Sciences publisert en artikkelCerebral organoids modell menneskelige hjernens utvikling og microcephalySom beskriver dyrking i en bioreaktor av de to typer av stamceller, "i hjernen i miniatyr", etterligne strukturen i den menneskelige hjerne som en helhet.
Organell forskjellige soner tilsvarer forskjellige deler av hjernen: ryggen, midtre og fremre og "forhjernen" selv viste en ytterligere differensiering til andeler ( "halvkule"). Hva er viktig i denne mini-hjerne, mengden som også er ikke mer enn noen få millimeter, forskerne observert tegn på aktivitet, særlig svingninger i kalsiumkonsentrasjonen i nevroner, som er en indikasjon på deres eksitasjon (for detaljer om dette eksperimentet lese kan her).
Målet for forskerne har vært ikke bare å gjengi utviklingen av hjernen in vitroMen også for å studere de molekylære prosesser som fører til microcephaly - utviklingsforstyrrelser, som opptrer særlig i løpet av infeksjon av embryoet Zika virus. For dette arbeidet forfatterne reist samme mini-hjernen i pasientens celler.
Til tross for imponerende resultater, var forskerne sikre på at slike organeller er i stand til å realisere noe. For det første, i denne hjerne inneholder ca 80 milliarder nevroner, og deres organ vokst med størrelsesordener mindre. Dermed blir mini-hjerne rett og slett ikke fysisk i stand til fullt ut å utføre funksjoner i hjernen.
For det andre, på grunn av beskaffenheten av "in vitro" noen av sine strukturer ble plassert ganske kaotisk og uregelmessig formede, ikke-fysiologiske forbindelser med hverandre. Hvis mini-hjerne noe og syntes det var helt klart noe uvanlig for oss.
For å løse problemet med samspillet mellom avdelinger, har nevrologer foreslått å modell hjernen på et nytt nivå, som ble kåret til "assembloidy". For deres dannelse først dyrket separat organeller som korresponderer med separate partier av hjernen, og da de er smeltet.
Denne tilnærmingen har forskere bruktMontering av funksjonelt integrert menneskelige brain kuler for å studere hvordan skorpen inne de såkalte interneuroner, som vises etter dannelsen av mesteparten av nervecellene med migrasjon fra nabo forhjernen. Assembloidy avledet fra to typer av nervevev, lov til å undersøke brudd på interneuron migrasjon i pasienter med epilepsi og autisme.
Våkn opp i en annens kropp
Selv med alle forbedringene mulig "hjerne in vitro" sterkt begrenset av tre grunnleggende betingelser. For det første, de har ikke et vaskulært system som muliggjør avgivelse av oksygen og næringsstoffer til de interne strukturer. Av denne grunn, blir størrelsen av mini-hjerne begrenset til diffusjonen av molekyler gjennom vevet. For det andre, har de ingen immunsystemet, levert av mikrogliale celler: normal, disse cellene migrerer inn i sentralnervesystemet fra utsiden. For det tredje, i struktur, øker i løsningen, er det ingen spesifikk mikro gitt av kroppen, noe som begrenser antallet av signalmolekyler inn i det. Den løsning på disse problemene er å skape et kimært dyremodell hjernen.
I nyere arbeiden in vivo modell av funksjonelle og vaskulariserte menneskelige hjerne organoids Amerikanske forskere fra Salk Institute ledet av Fred Gage (Fred Gage) beskriver integrering av den menneskelige hjerne organeller (dvs. mini-hjernen) i musehjerne. For å gjøre dette, forskerne først bygget inn i DNA av stamcelle-genet grønt fluorescent protein til skjebnen til å utvikle nervevev kunne observeres med et mikroskop. Fra disse celler ble dyrket i 40 dager organeller som etter å ha implantert inn i hulrommet i retrosplenial cortex immunodeficient mus. Etter tre måneder, 80 prosent av dyrene fanget på implantatet.
Chimeriske muse hjerner ble analysert med hensyn til åtte måneder. Det ble funnet at organeller, som lett kan gjenkjennes på den gløden av et fluorescerende protein, hell integrert dannet en omfattende vaskulatur, vokste aksonene og dannet synapser med nerveprosesser master hjernen. I tillegg, fra verts inn i implantatet beveget mikrogliale celler. Endelig forskerne bekreftet den funksjonelle aktiviteten av neuroner - de viste elektriske aktivitet og kalsium svingninger. Således er det humane "mini-hjerne" ble fullt ut en del av musehjerne.
Overraskende, er virkemåten av den eksperimentelle mus integrering av det humane nervevev stykket ikke er berørt. I testen for romlig læring kimærisk musehjerne viste de samme resultater som for normale mus, og skilte enda verre minne - forskerne forklarte dette med at de har gjort for implantering av et hull i barken halvkuler.
Likevel er målet med dette arbeidet var å få flink mus med menneskelig bevissthet og etableringen av in vivo modell av cerebrale organeller person er utstyrt med et nettverk av skip og mikromiljøet for forskjellige biomedisinske anvendelser.
Eksperimentet var en helt annen type putForhjernen innpoding av humane glial forløperceller forbedrer synaptisk plastisitet og læring i voksen mus Forskere fra Senter for translasjonell neyromeditsiny University of Rochester i 2013. Som tidligere nevnt, hjelpemargceller (astrocytter) Humane skiller seg fra andre dyreceller, spesielt mus. Av denne grunn, forskerne foreslår at astrocytter spille en viktig rolle i utvikling og vedlikehold av den menneskelige hjernen fungerer. For å teste hvordan å utvikle en kimære mus med menneskelige hjerne astrocytter, har forskere lagt forgjengere hjelpeceller i hjernen til mus embryoer.
Det viste seg at i de kimære menneskelige hjerne astrocytter jobbe tre ganger raskere enn musen. Dessuten, kimære mus med hjerne var mye smartere enn gjennomsnittet på mange måter. De tenker raskt, bedre trent og fokusert i labyrinten. Sannsynligvis kimære mus ikke tenke som mennesker, men kan ha vært i stand til å føle den neste fasen av utviklingen.
Likevel, for studiet av den menneskelige hjerne gnagere langt fra ideelle modellen. Det faktum at den menneskelige nervevev modnes i henhold til noen intern molekylær klokke, og overføre den til en annen organisme ikke fremskynde prosessen. Gitt at musene levde for bare to år, og den totale dannelsen av den menneskelige hjernen tar et par tiår, noen langsiktige prosesser i formatet kimære hjernen studie umulig. Kanskje fremtiden for nevrovitenskap fortsatt utover menneskelige hjerne i akvarier - for å finne ut hvordan det er uetisk, forskere trenger bare å lære å lese tanker, og moderne teknologi, det virker, vil snart tillate det gjør.
se også
- 8 tenkte eksperimenter som vil gjøre deg tenke →
- 4 spørsmål til å starte en interessant samtale →
- Hvordan løse mysteriene av hjernen og lære å håndtere det: 15 nyttige bøker →