Hvordan forskere studerer den menneskelige hjerne isoleret fra kroppen

2024 Forfatter: Malcolm Clapton | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-17 03:51

Hvordan videnskabsmænd skaber modeller af den menneskelige hjerne, og hvilke etiske spørgsmål sådan forskning rejser.

Tidsskriftet Nature udgav The ethics of experimenting with human brain tissue, et samlebrev fra 17 førende neurovidenskabsmænd i verden, hvori videnskabsmænd diskuterede fremskridt i udviklingen af menneskelige hjernemodeller. Frygten for specialister er som følger: sandsynligvis i den nærmeste fremtid vil modellerne blive så avancerede, at de vil begynde at reproducere ikke kun strukturen, men også funktionerne i den menneskelige hjerne.

Er det muligt at skabe "i et reagensglas" et stykke nervevæv, der har bevidsthed? Forskere kender strukturen af dyrs hjerne i mindste detalje, men har stadig ikke fundet ud af, hvilke strukturer der "koder" for bevidsthed, og hvordan man kan måle dens tilstedeværelse, hvis vi taler om en isoleret hjerne eller dens lighed.

Hjerne i akvariet

"Forestil dig at vågne op i et isoleret sansedeprivationskammer - der er intet lys, ingen lyd, ingen ydre stimuli omkring. Kun din bevidsthed, hængende i tomrummet."

Det er billedet af etikere, der kommenterer på en udtalelse fra Yale Universitys neuroforsker Nenad Sestan om, at hans hold var i stand til at holde en isoleret svinehjerne i live i 36 timer.

Forskerne holder grisehjerner i live uden for kropsrapporten om et vellykket eksperiment, der blev lavet på et møde i US National Institutes of Healths etiske komité i slutningen af marts i år. Ved hjælp af et opvarmet pumpesystem kaldet BrainEx og en syntetisk bloderstatning opretholdt forskerne væskecirkulationen og iltforsyningen til de isolerede hjerner fra hundredvis af dyr, der blev dræbt på et slagteri et par timer før eksperimentet, sagde han.

Organerne forblev i live, at dømme efter den vedvarende aktivitet af milliarder af individuelle neuroner. Forskere kan dog ikke sige, om de grisehjerner, der er placeret i "akvariet", har bevaret tegn på bevidsthed. Fraværet af elektrisk aktivitet, testet på en standardiseret måde ved hjælp af et elektroencefalogram, overbeviste Sestan om, at "denne hjerne er ikke bekymret for noget." Det er muligt, at dyrets isolerede hjerne var i koma, hvilket især kunne lettes ved, at opløsningens komponenter vaskede det.

Forfatterne afslører ikke detaljerne i eksperimentet - de er ved at forberede en publikation i et videnskabeligt tidsskrift. Ikke desto mindre vakte selv Sestans rapport, fattig på detaljer, stor interesse og mange spekulationer om den videre udvikling af teknologien. Det ser ud til, at det ikke er meget mere teknisk vanskeligt at bevare hjernen end at bevare ethvert andet organ til transplantation, såsom hjertet eller nyren.

Det betyder, at det teoretisk set er muligt at bevare den menneskelige hjerne i en mere eller mindre naturlig tilstand.

Isolerede hjerner kunne være en god model, for eksempel til at forske i lægemidler: De eksisterende reguleringsbegrænsninger gælder trods alt for levende mennesker og ikke for individuelle organer. Men fra et etisk synspunkt rejser der sig mange spørgsmål her. Selv spørgsmålet om hjernedød forbliver en "gråzone" for forskere - på trods af eksistensen af formelle medicinske kriterier er der en række lignende tilstande, hvorfra en tilbagevenden til normal livsaktivitet stadig er mulig. Hvad kan vi sige om situationen, når vi hævder, at hjernen forbliver i live. Hvad hvis hjernen, isoleret fra kroppen, fortsætter med at bevare nogle eller alle personlighedstræk? Så er det sagtens muligt at forestille sig situationen beskrevet i begyndelsen af artiklen.

Hvor bevidstheden lurer

På trods af det faktum, at der op til 80'erne af det 20. århundrede var tilhængere af teorien om dualisme, som adskiller sjælen fra kroppen, blandt videnskabsmænd, er i vores tid selv filosoffer, der studerer psyken, enige om, at alt, hvad vi kalder bevidsthed, er genereret af den materielle hjerne (historie Spørgsmålet kan læses mere detaljeret, f.eks. i dette kapitel Hvor er bevidsthed: History of the Issue and Prospects of Search fra nobelpristageren Eric Kandels bog "In Search of Memory").

Hvad mere er, med moderne teknikker såsom funktionel magnetisk resonansbilleddannelse kan forskere spore, hvilke områder af hjernen der aktiveres under specifikke mentale øvelser. Ikke desto mindre er begrebet bevidsthed som helhed for flygtigt, og forskerne er stadig ikke enige om, hvorvidt det er kodet af et sæt processer, der forekommer i hjernen, eller om visse neurale korrelater er ansvarlige for det.

Som Kandel siger i sin bog, er bevidstheden hos patienter med kirurgisk adskilte hjernehalvdele opdelt i to, som hver opfatter et selvstændigt billede af verden.

Disse og lignende tilfælde fra neurokirurgisk praksis indikerer i det mindste, at for eksistensen af bevidsthed er hjernens integritet som en symmetrisk struktur ikke påkrævet. Nogle videnskabsmænd, herunder opdageren af DNA-strukturen Francis Crick, som i slutningen af sit liv blev interesseret i neurovidenskab, mener, at tilstedeværelsen af bevidsthed er bestemt af specifikke strukturer i hjernen.

Måske er det visse neurale kredsløb, eller måske er pointen i hjernens hjælpeceller - astrocytter, som hos mennesker i sammenligning med andre dyr er ret højt specialiserede. På den ene eller anden måde har videnskabsmænd allerede nået det punkt, hvor de modellerer individuelle strukturer af den menneskelige hjerne in vitro ("in vitro") eller endda in vivo (som en del af dyrenes hjerne).

Vågn op i en bioreaktor

Det vides ikke, hvor hurtigt det kommer til eksperimenter med hele hjerner udvundet fra menneskekroppen – for det første skal neurovidenskabsmænd og etikere blive enige om spillereglerne. Ikke desto mindre vokser fremkomsten af tredimensionelle menneskelige hjernekulturer i laboratorier i petriskåle og bioreaktorer allerede "minihjerner", der efterligner strukturen af den "store" menneskelige hjerne eller dens specifikke dele.

I processen med udvikling af embryonet dannes dets organer op til visse stadier i henhold til et eller andet program, der er iboende i generne ifølge princippet om selvorganisering. Nervesystemet er ingen undtagelse. Forskerne fandt ud af, at hvis differentiering til celler af nervevævet induceres i stamcellekultur ved hjælp af visse stoffer, fører dette til spontane omlejringer i cellekultur, svarende til dem, der opstår under morfogenese af det embryonale neuralrør.

Stamceller induceret på denne måde "som standard" differentierer i sidste ende til neuroner i hjernebarken, dog ved at tilføje signalmolekyler udefra til en petriskål, for eksempel kan celler i mellemhjernen, striatum eller rygmarven opnås. Det viste sig, at en iboende mekanisme for kortikogenese fra embryonale stamceller kan dyrkes i en skål, en rigtig cortex, ligesom i hjernen, bestående af flere lag neuroner og indeholdende hjælpeastrocytter.

Det er klart, at todimensionelle kulturer repræsenterer en meget forenklet model. Det selvorganiserende princip for nervevæv hjalp videnskabsmænd med hurtigt at flytte til tredimensionelle strukturer kaldet sfæroider og cerebrale organeller. Processen med vævsorganisation kan påvirkes af ændringer i begyndelsesbetingelser, såsom initial kulturtæthed og celleheterogenitet, og af eksogene faktorer. Ved at modulere aktiviteten af visse signalkaskader er det endda muligt at opnå dannelsen af avancerede strukturer i organoiden, såsom den optiske kop med retinale epitel, som reagerer cellediversitet og netværksdynamik i lysfølsomme menneskelige hjerneorganoider til lys.

Brugen af et specielt kar og behandling med vækstfaktorer gjorde det muligt for videnskabsmænd målrettet at opnå modellering af menneskelig kortikal udvikling in vitro ved hjælp af inducerede pluripotente stamceller - en menneskelig cerebral organoid svarende til forhjernen (hemisfærerne) med en cortex, hvis udvikling, at dømme efter ekspressionen af gener og markører, svarede til det første trimester af fosterudviklingen …

Og forskere fra Stanford, ledet af Sergiu Pasca, har udviklet funktionelle kortikale neuroner og astrocytter fra menneskelige pluripotente stamceller i 3D-kultur, en måde at dyrke klumper, der efterligner forhjernen lige i en petriskål. Størrelsen af sådanne "hjerner" er omkring 4 millimeter, men efter 9-10 måneders modning svarer kortikale neuroner og astrocytter i denne struktur til det postnatale udviklingsniveau, det vil sige barnets udviklingsniveau umiddelbart efter fødslen.

Det er vigtigt, at stamceller til dyrkning af sådanne strukturer kan tages fra specifikke mennesker, for eksempel fra patienter med genetisk betingede sygdomme i nervesystemet. Og fremskridtene inden for genteknologi tyder på, at forskere snart vil være i stand til in vitro at observere udviklingen af hjernen hos en neandertaler eller denisovan.

I 2013 offentliggjorde forskere fra Institut for Molekylær Bioteknologi ved det østrigske videnskabsakademi en artikel Cerebral organoids model human brain development and microcephaly, der beskriver dyrkningen af en "miniaturehjerne" fra to typer stamceller i en bioreaktor, som efterligner strukturen af hele den menneskelige hjerne.

Forskellige zoner af organoiden svarede til forskellige dele af hjernen: posterior, midterste og anterior, og "forhjernen" viste endda yderligere differentiering til lapper ("halvkugler"). Det er vigtigt, at i denne mini-hjerne, som heller ikke oversteg et par millimeter i størrelse, observerede forskere tegn på aktivitet, især udsving i koncentrationen af calcium inde i neuroner, som tjener som en indikator for deres excitation (du kan læse i detaljer) om dette eksperiment her).

Forskernes mål var ikke kun at reproducere udviklingen af hjernen in vitro, men også at studere de molekylære processer, der fører til mikrocefali - en udviklingsabnormitet, der især opstår, når et embryo er inficeret med Zika-virus. Til dette har forfatterne til værket dyrket den samme minihjerne fra patientens celler.

På trods af de imponerende resultater var videnskabsmænd overbevist om, at sådanne organeller var ude af stand til at realisere noget. For det første indeholder den rigtige hjerne omkring 80 milliarder neuroner, og den dyrkede organoid indeholder flere størrelsesordener mindre. En mini-hjerne er således simpelthen ikke fysisk i stand til fuldt ud at udføre en rigtig hjernes funktioner.

For det andet, på grund af de særlige forhold ved udvikling "in vitro", var nogle af dens strukturer placeret ret kaotisk og dannede ukorrekte, ikke-fysiologiske forbindelser med hinanden. Hvis minihjernen mente noget, var det tydeligvis noget usædvanligt for os.

For at løse problemet med interaktionen mellem afdelinger har neuroforskere foreslået at modellere hjernen på et nyt niveau, som kaldes "assembloids". Til deres dannelse dyrkes organeller først separat, svarende til individuelle dele af hjernen, og derefter slås de sammen.

Denne tilgang brugte videnskabsmænd samlingen af funktionelt integrerede menneskelige forhjernesfæroider til at studere, hvordan de såkaldte interneuroner, som opstår efter dannelsen af hovedparten af neuroner ved migration fra den tilstødende forhjernen, er inkorporeret i cortex. Assembloider opnået fra to typer nervevæv har gjort det muligt at studere forstyrrelser i migrationen af interneuroner hos patienter med epilepsi og autisme.

Vågn op i en andens krop

Selv med alle forbedringerne er hjerne-i-et-rør-kapaciteten stærkt begrænset af tre grundlæggende betingelser. For det første har de ikke et vaskulært system, der tillader dem at levere ilt og næringsstoffer til deres indre strukturer. Af denne grund er størrelsen af mini-hjerne begrænset af molekylernes evne til at diffundere gennem væv. For det andet har de ikke et immunsystem, repræsenteret ved mikrogliaceller: normalt migrerer disse celler til centralnervesystemet udefra. For det tredje har en struktur, der vokser i opløsning, ikke et specifikt mikromiljø leveret af kroppen, hvilket begrænser antallet af signalmolekyler, der når det. Løsningen på disse problemer kunne være skabelsen af modeldyr med kimæriske hjerner.

Det nylige arbejde An in vivo model of functional and vascularized human brain organoids af amerikanske videnskabsmænd fra Salk Institute under ledelse af Fred Gage beskriver integrationen af en menneskelig cerebral organel (det vil sige en mini-hjerne) i hjernen på en mus. For at gøre dette indsatte forskerne først genet for et grønt fluorescerende protein i stamcellernes DNA, så skæbnen for det udviklende nervevæv kunne observeres ved hjælp af mikroskopi. Organoider blev dyrket fra disse celler i 40 dage, som derefter blev implanteret i et hulrum i retrosplenal cortex af en immundefekt mus. Tre måneder senere slog implantatet rod hos 80 procent af dyrene.

Musenes kimære hjerner blev analyseret i otte måneder. Det viste sig, at organoiden, som let kunne skelnes ved luminescensen af et fluorescerende protein, med succes integreret, dannede et forgrenet vaskulært netværk, voksede axoner og dannede synapser med værtshjernens nerveprocesser. Derudover er mikrogliaceller flyttet fra værten til implantatet. Endelig bekræftede forskerne neuronernes funktionelle aktivitet - de viste elektrisk aktivitet og udsving i calcium. Således kom den menneskelige "mini-hjerne" helt ind i sammensætningen af musehjernen.

Overraskende nok påvirkede integrationen af et stykke menneskeligt nervevæv ikke forsøgsmusens adfærd. I en test for rumlig læring præsterede mus med kimæriske hjerner det samme som normale mus og havde endda dårligere hukommelse – det forklarede forskerne med, at de til implantation lavede et hul i hjernebarken.

Ikke desto mindre var målet med dette arbejde ikke at opnå en intelligent mus med en menneskelig bevidsthed, men at skabe en in vivo-model af menneskelige cerebrale organeller udstyret med et vaskulært netværk og mikromiljø til forskellige biomedicinske formål.

Et eksperiment af en helt anden art blev iscenesat af Forebrain-engraftment af humane glia-progenitorceller forbedrer synaptisk plasticitet og læring hos voksne mus af forskere ved Center for Translational Neuromedicine ved University of Rochester i 2013. Som tidligere nævnt er humane hjælpehjerneceller (astrocytter) meget forskellige fra andre dyrs, især mus. Af denne grund foreslår forskere, at astrocytter spiller en vigtig rolle i udviklingen og vedligeholdelsen af menneskelige hjernefunktioner. For at teste, hvordan en kimærisk musehjerne ville udvikle sig med menneskelige astrocytter, plantede forskerne hjælpecelleprækursorer i hjernen på museembryoner.

Det viste sig, at i en kimærisk hjerne arbejder menneskelige astrocytter tre gange hurtigere end mus. Desuden viste mus med kimæriske hjerner sig at være betydeligt smartere end normalt på mange måder. De var hurtigere til at tænke, lære bedre og navigere i labyrinten. Sandsynligvis tænkte kimære mus ikke som mennesker, men måske kunne de mærke sig selv på et andet udviklingsstadium.

Gnavere er dog langt fra ideelle modeller til at studere den menneskelige hjerne. Faktum er, at menneskeligt nervevæv modnes i henhold til et internt molekylært ur, og dets overførsel til en anden organisme fremskynder ikke denne proces. I betragtning af, at mus kun lever to år, og den fulde dannelse af en menneskelig hjerne tager et par årtier, kan eventuelle langsigtede processer i formatet af en kimærisk hjerne ikke studeres. Måske hører fremtiden for neurovidenskab stadig til menneskelige hjerner i akvarier - for at finde ud af, hvor etisk det er, skal videnskabsmænd bare lære at læse tanker, og moderne teknologi ser ud til at være i stand til at gøre dette snart.