Kuidas teadlased uurivad inimese aju kehast eraldatuna

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 03:53

Kuidas teadlased loovad inimaju mudeleid ja milliseid eetilisi probleeme selline uurimine tõstatab.

Ajakiri Nature avaldas 17 maailma juhtiva neuroteadlase kollektiivse kirja The ethics of experimenting with human brain kudedes, milles teadlased arutasid inimaju mudelite arendamise edusamme. Spetsialistide kartused on järgmised: ilmselt lähitulevikus muutuvad mudelid nii arenenud, et hakkavad taastootma mitte ainult inimaju ehitust, vaid ka funktsioone.

Kas on võimalik luua "katseklaasis" närvikoe tükk, millel on teadvus? Teadlased teavad loomade aju ehitust peensusteni, kuid pole siiani aru saanud, millised struktuurid teadvust "kodeerivad" ja kuidas selle olemasolu mõõta, kui räägime isoleeritud ajust või selle sarnasusest.

Aju akvaariumis

"Kujutage ette, et ärkate isoleeritud sensoorses deprivatsioonikambris – ümberringi pole valgust, heli ega väliseid stiimuleid. Ainult teie teadvus ripub tühjuses."

See on pilt eetikutest, kes kommenteerivad Yale'i ülikooli neuroteadlase Nenad Sestani väidet, et tema meeskond suutis isoleeritud sea aju elus hoida 36 tundi.

Teadlased hoiavad sigade ajusid elus väljaspool selle aasta märtsi lõpus USA riiklike tervishoiuinstituutide eetikakomitee koosolekul tehtud aruanne eduka katse kohta. Ta ütles, et kasutades soojendusega pumbasüsteemi nimega BrainEx ja sünteetilist vereasendajat, säilitasid teadlased paar tundi enne katset tapamajas tapetud sadade loomade isoleeritud ajude vedelikuringlust ja hapnikuvarustust.

Elundid jäid ellu, otsustades miljardite üksikute neuronite aktiivsuse püsimise järgi. Teadlased ei oska aga öelda, kas "akvaariumisse" pandud seaajudel säilisid teadvuse märgid. Elektrilise aktiivsuse puudumine, mida testiti standardiseeritud viisil elektroentsefalogrammi abil, veenis Sestani, et "see aju ei muretse millegi pärast". Võimalik, et looma isoleeritud aju oli koomas, mida võisid soodustada eelkõige seda pesevad lahuse komponendid.

Eksperimendi üksikasju autorid ei avalda – nad valmistavad ette publikatsiooni teadusajakirjas. Sellegipoolest äratas isegi Sestani detailivaene raport suurt huvi ja palju spekulatsioone tehnoloogia edasise arendamise üle. Näib, et aju säilitamine ei ole tehniliselt palju keerulisem kui mis tahes muu organi, näiteks südame või neeru säilitamine siirdamiseks.

See tähendab, et teoreetiliselt on võimalik säilitada inimese aju enam-vähem loomulikus olekus.

Eraldatud ajud võiksid olla heaks mudeliks näiteks ravimite uurimisel: kehtivad ju kehtivad regulatiivsed piirangud elavatele inimestele, mitte üksikutele organitele. Eetilisest aspektist lähtudes tekib siin aga palju küsimusi. Isegi ajusurma küsimus jääb teadlaste jaoks "halliks alaks" – hoolimata ametlike meditsiiniliste kriteeriumide olemasolust on mitmeid sarnaseid seisundeid, millest tagasipöördumine normaalse elutegevuse juurde on siiski võimalik. Mida me saame öelda olukorra kohta, kui kinnitame, et aju jääb ellu. Mis siis, kui kehast eraldatud aju säilitab jätkuvalt mõned või kõik isiksuseomadused? Siis on täiesti võimalik ette kujutada artikli alguses kirjeldatud olukorda.

Kus varitseb teadvus

Hoolimata asjaolust, et kuni 20. sajandi 80. aastateni leidus teadlaste seas hinge kehast eraldava dualismi teooria pooldajaid, on meie ajal isegi psüühikat uurivad filosoofid ühel meelel, et kõik, mida me nimetame teadvuseks, on genereeritud. materiaalse aju poolt (ajalugu Küsimust saab täpsemalt lugeda näiteks käesolevast peatükist Kus on teadvus: History of the Issue and Prospects of Search Nobeli preemia laureaadi Eric Kandeli raamatust "In Search of Memory").

Veelgi enam, kaasaegsete tehnikatega, nagu funktsionaalne magnetresonantstomograafia, saavad teadlased jälgida, millised ajupiirkonnad teatud vaimsete harjutuste ajal aktiveeruvad. Sellegipoolest on teadvuse kui terviku kontseptsioon liiga lühiajaline ja teadlased pole endiselt ühel meelel, kas see on kodeeritud ajus toimuvate protsesside kogumi poolt või on selle eest vastutavad teatud närvikorrelaadid.

Nagu Kandel oma raamatus ütleb, jaguneb teadvus kirurgiliselt eraldatud ajupoolkeradega patsientidel kaheks, millest igaüks tajub iseseisvat maailmapilti.

Need ja sarnased juhtumid neurokirurgia praktikast näitavad vähemalt seda, et teadvuse olemasoluks ei ole aju kui sümmeetrilise struktuuri terviklikkus vajalik. Mõned teadlased, sealhulgas DNA struktuuri avastaja Francis Crick, kes oma elu lõpus tundis huvi neuroteaduste vastu, usuvad, et teadvuse olemasolu määravad kindlaks spetsiifilised ajustruktuurid.

Võib-olla on need teatud närviahelad või võib-olla on asi aju abirakkudes - astrotsüütides, mis inimestel on teiste loomadega võrreldes üsna spetsialiseerunud. Ühel või teisel viisil on teadlased juba jõudnud inimese aju üksikute struktuuride modelleerimiseni in vitro ("in vitro") või isegi in vivo (loomade aju osana).

Ärka üles bioreaktoris

Pole teada, kui kiiresti jõuavad katsed inimkehast ekstraheeritud tervete ajudega – esmalt peavad neuroteadlased ja eetikaspetsialistid kokku leppima mängureeglites. Sellegipoolest kasvavad Petri tasside ja bioreaktorite laborites kolmemõõtmeliste inimese ajukultuuride esilekerkimisel juba "mini-ajud", mis jäljendavad "suure" inimese aju või selle konkreetsete osade struktuuri.

Embrüo arenguprotsessis moodustuvad tema organid kuni teatud etappideni mingi geenidele omase programmi järgi vastavalt iseorganiseerumise põhimõttele. Närvisüsteem pole erand. Teadlased leidsid, et kui tüvirakukultuuris teatud ainete abil kutsutakse esile närvikoe rakkudeks diferentseerumine, põhjustab see rakukultuuris spontaanseid ümberkorraldusi, mis on sarnased embrüonaalse neuraaltoru morfogeneesiga.

Sel viisil "vaikimisi" indutseeritud tüvirakud diferentseeruvad lõpuks ajukoore neuroniteks, kuid Petri tassile väljastpoolt tulevaid signaalmolekule lisades võib saada näiteks keskaju, juttkeha või seljaaju rakke. Selgus, et embrüonaalsete tüvirakkude kortikogeneesi sisemist mehhanismi saab kasvatada tassis, päris ajukoores, nagu ajus, mis koosneb mitmest neuronikihist ja sisaldab abiastrotsüüte.

On selge, et kahemõõtmelised kultuurid kujutavad endast väga lihtsustatud mudelit. Närvikoe iseorganiseeruv põhimõte aitas teadlastel kiiresti liikuda kolmemõõtmeliste struktuuride juurde, mida nimetatakse sferoidideks ja ajuorganellideks. Kudede organiseerimise protsessi võivad mõjutada muutused algtingimustes, nagu esialgne kultuuritihedus ja rakkude heterogeensus, ning eksogeensed tegurid. Teatud signaalikaskaadide aktiivsust moduleerides on isegi võimalik saavutada organoidis arenenud struktuuride moodustumist, nagu näiteks võrkkesta epiteeliga optiline tass, mis reageerib rakkude mitmekesisusele ja võrgudünaamikale valgustundlikes inimaju organoidides valgusele.

Spetsiaalse anuma kasutamine ja ravi kasvufaktoritega võimaldasid teadlastel sihipäraselt saada Inimese kortikaalse arengu modelleerimine in vitro, kasutades indutseeritud pluripotentseid tüvirakke - inimese ajuorganoidi, mis vastab eesajule (poolkeradele) koos ajukoorega, mille areng, otsustades geenide ja markerite ekspressioon, vastas loote arengu esimesele trimestrile …

Stanfordi teadlased eesotsas Sergiu Pascaga on välja töötanud inimese pluripotentsetest tüvirakkudest 3D-kultuuris funktsionaalsed kortikaalsed neuronid ja astrotsüüdid, mis on viis kasvatada Petri tassis eesaju jäljendavaid tükke. Selliste "ajude" suurus on umbes 4 millimeetrit, kuid pärast 9-10-kuulist küpsemist vastavad selle struktuuri kortikaalsed neuronid ja astrotsüüdid sünnijärgsele arengutasemele, see tähendab lapse arengutasemele vahetult pärast sündi.

Oluline on see, et selliste struktuuride kasvatamiseks mõeldud tüvirakke saab võtta konkreetsetelt inimestelt, näiteks geneetiliselt määratud närvisüsteemi haigustega patsientidelt. Ja geenitehnoloogia edusammud viitavad sellele, et teadlased saavad peagi jälgida in vitro neandertallase või denisova aju arengut.

2013. aastal avaldasid Austria Teaduste Akadeemia Molekulaarse Biotehnoloogia Instituudi teadlased artikli Tserebraalsed organoidid modelleerivad inimese aju arengut ja mikrotsefaaliat, milles kirjeldatakse "miniaju" kasvatamist kahte tüüpi tüvirakkudest bioreaktoris, mis jäljendab kogu inimese aju struktuur.

Organoidi erinevad tsoonid vastasid aju erinevatele osadele: tagumine, keskmine ja eesmine, ja "eesaju" näitas isegi edasist diferentseerumist sagarateks ("poolkeradeks"). Oluline on see, et selles miniajus, mis samuti ei ületanud paari millimeetrit, täheldasid teadlased aktiivsuse märke, eriti kaltsiumi kontsentratsiooni kõikumisi neuronites, mis on nende ergastuse indikaator (üksikasjalikult saate lugeda selle katse kohta siin).

Teadlaste eesmärk oli mitte ainult reprodutseerida aju evolutsiooni in vitro, vaid ka uurida molekulaarseid protsesse, mis viivad mikrotsefaaliani - arenguanomaaliani, mis ilmnevad eriti siis, kui embrüo on nakatunud Zika viirusega. Selleks on töö autorid kasvatanud patsiendi rakkudest samasuguse miniaju.

Vaatamata muljetavaldavatele tulemustele olid teadlased veendunud, et sellised organellid ei suuda midagi mõista. Esiteks sisaldab tõeline aju umbes 80 miljardit neuronit ja kasvanud organoid sisaldab mitu suurusjärku vähem. Seega ei ole miniaju lihtsalt füüsiliselt võimeline pärisaju funktsioone täielikult täitma.

Teiseks asusid osa selle struktuurid "in vitro" arengu iseärasuste tõttu üsna kaootiliselt ja moodustasid omavahel ebaõigeid, mittefüsioloogilisi seoseid. Kui miniaju midagi arvas, oli see meie jaoks selgelt midagi ebatavalist.

Osakondade interaktsiooni probleemi lahendamiseks on neuroteadlased teinud ettepaneku modelleerida aju uuel tasemel, mida nimetatakse "assembloidideks". Nende moodustamiseks kasvatatakse organellid kõigepealt eraldi, mis vastavad aju üksikutele osadele, ja seejärel liidetakse.

Seda lähenemisviisi kasutasid teadlased inimese funktsionaalselt integreeritud eesaju sferoidide assamblee abil, et uurida, kuidas nn interneuronid, mis tekivad pärast enamiku neuronite moodustumist migratsiooni teel külgnevast eesajust, ajukooresse sulanduvad. Kahest tüüpi närvikoest saadud assembloidid on võimaldanud uurida interneuronite migratsiooni häireid epilepsia ja autismiga patsientidel.

Ärka üles kellegi teise kehas

Isegi kõigi täiustuste korral piiravad aju torus võimekust tõsiselt kolm põhitingimust. Esiteks ei ole neil veresoonkonda, mis võimaldaks neil sisestruktuuridesse hapnikku ja toitaineid tarnida. Sel põhjusel piirab miniajude suurust molekulide võime läbi kudede difundeeruda. Teiseks puudub neil immuunsüsteem, mida esindavad mikrogliiarakud: tavaliselt migreeruvad need rakud kesknärvisüsteemi väljastpoolt. Kolmandaks, lahuses kasvaval struktuuril puudub spetsiifiline keha poolt pakutav mikrokeskkond, mis piirab sinna jõudvate signaalmolekulide hulka. Nende probleemide lahendus võiks olla kimäärse ajuga mudelloomade loomine.

Ameerika teadlaste Salk Instituudist Fred Gage'i juhtimisel hiljuti avaldatud töös An in vivo mudel inimese aju funktsionaalsetest ja vaskulariseeritud organoididest kirjeldatakse inimese ajuorganelli (st miniaju) integreerimist hiire ajusse.. Selleks sisestasid teadlased esmalt tüvirakkude DNA-sse rohelise fluorestseeruva valgu geeni, et saaks mikroskoopia abil jälgida areneva närvikoe saatust. Nendest rakkudest kasvatati 40 päeva jooksul organoide, mis seejärel implanteeriti immuunpuudulikkusega hiire retrosplenaalses ajukoores olevasse õõnsusse. Kolm kuud hiljem juurdus implantaat 80 protsendil loomadest.

Hiirte kimäärseid aju analüüsiti kaheksa kuud. Selgus, et fluorestseeruva valgu luminestsentsi järgi kergesti eristatav organoid integreerus edukalt, moodustas hargnenud veresoonte võrgustiku, kasvatas aksoneid ja moodustas sünapsid peremeesaju närviprotsessidega. Lisaks on mikrogliia rakud liikunud peremeesorganismist implantaadile. Lõpuks kinnitasid teadlased neuronite funktsionaalset aktiivsust – need näitasid elektrilist aktiivsust ja kaltsiumi kõikumisi. Seega sisenes inimese "mini-aju" täielikult hiire aju koostisse.

Üllataval kombel ei mõjutanud inimese närvikoe tüki integreerimine katsehiirte käitumist. Ruumiõppe testis toimisid kimäärse ajuga hiired samamoodi nagu tavalised hiired ja neil oli isegi halvem mälu – teadlased selgitasid seda asjaoluga, et implanteerimiseks tegid nad ajukooresse augu.

Sellegipoolest ei olnud selle töö eesmärk saada inimese teadvusega intelligentset hiirt, vaid luua inimese ajuorganellide in vivo mudel, mis on varustatud veresoonte võrgu ja mikrokeskkonnaga erinevatel biomeditsiinilistel eesmärkidel.

Rochesteri ülikooli translatiivse neuromeditsiini keskuse teadlaste poolt 2013. aastal korraldati täiesti erinevat laadi katse, mille käigus inimese gliia eellasrakkude poolt eesaju siirdamine suurendab sünaptilist plastilisust ja täiskasvanud hiirte õppimist. Nagu varem mainitud, on inimese lisaajurakud (astrotsüüdid) väga erinevad teiste loomade, eriti hiirte omadest. Sel põhjusel väidavad teadlased, et astrotsüütidel on oluline roll inimese aju funktsioonide arendamisel ja säilitamisel. Et testida, kuidas kimäärne hiireaju inimese astrotsüütidega areneks, istutasid teadlased hiireembrüote ajju abistajarakkude prekursoreid.

Selgus, et kimäärses ajus töötavad inimese astrotsüüdid kolm korda kiiremini kui hiired. Pealegi osutusid kimäärse ajuga hiired paljuski tavapärasest oluliselt targemaks. Nad mõtlesid kiiremini, õppisid paremini ja navigeerisid labürindis. Tõenäoliselt ei mõelnud kimäärsed hiired nagu inimesed, kuid võib-olla tundsid nad end evolutsiooni teises etapis.

Närilised pole aga kaugeltki ideaalsed mudelid inimese aju uurimiseks. Fakt on see, et inimese närvikude küpseb mingi sisemise molekulaarse kella järgi ja selle ülekandumine teisele organismile seda protsessi ei kiirenda. Arvestades, et hiired elavad vaid kaks aastat ja inimese aju täielik moodustumine võtab aega paarkümmend aastat, ei saa kimäärse aju vormis mingeid pikaajalisi protsesse uurida. Võib-olla kuulub neuroteaduse tulevik endiselt akvaariumites inimeste ajudele – selleks, et teada saada, kui eetiline see on, peavad teadlased lihtsalt õppima mõtteid lugema ja kaasaegne tehnoloogia näib seda peagi suutvat.