Jinsi watafiti husoma ubongo wa mwanadamu kwa kutengwa na mwili

2024 Mwandishi: Malcolm Clapton | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-17 04:11

Jinsi wanasayansi huunda vielelezo vya ubongo wa binadamu na ni masuala gani ya kimaadili ambayo utafiti huo huibua.

Jarida la Nature lilichapisha Maadili ya kujaribu tishu za ubongo wa binadamu, barua ya pamoja ya wanasayansi 17 wakuu ulimwenguni, ambapo wanasayansi walijadili maendeleo katika ukuzaji wa miundo ya ubongo wa mwanadamu. Hofu za wataalam ni kama ifuatavyo: labda katika siku za usoni mifano itakuwa ya juu sana hivi kwamba wataanza kuzaa sio muundo tu, bali pia kazi za ubongo wa mwanadamu.

Je, inawezekana kuunda "katika tube ya mtihani" kipande cha tishu za neva ambacho kina fahamu? Wanasayansi wanajua muundo wa ubongo wa wanyama kwa undani ndogo zaidi, lakini bado hawajafikiria ni miundo gani "encode" fahamu na jinsi ya kupima uwepo wake, ikiwa tunazungumza juu ya ubongo uliotengwa au kufanana kwake.

Ubongo katika aquarium

"Fikiria kuamka katika chumba cha kunyimwa hisia - hakuna mwanga, hakuna sauti, hakuna msukumo wa nje karibu. Ufahamu wako tu, ukining'inia kwenye utupu."

Hiyo ni picha ya wataalam wa maadili wakitoa maoni yao juu ya taarifa ya mwanasayansi wa neva wa Chuo Kikuu cha Yale Nenad Sestan kwamba timu yake iliweza kuweka ubongo wa nguruwe uliotengwa kwa masaa 36.

Watafiti wanahifadhi hai ubongo wa nguruwe nje ya ripoti ya mwili ya jaribio lililofanikiwa lilifanywa katika mkutano wa Kamati ya Maadili ya Taasisi za Kitaifa za Afya za Amerika mwishoni mwa Machi mwaka huu. Kwa kutumia mfumo wa pampu yenye joto inayoitwa BrainEx na kibadala cha damu cha sintetiki, watafiti walidumisha mzunguko wa maji na usambazaji wa oksijeni kwa akili zilizotengwa za mamia ya wanyama waliouawa kwenye kichinjio cha saa chache kabla ya jaribio, alisema.

Viungo vilibakia hai, kwa kuzingatia kuendelea kwa shughuli za mabilioni ya neurons binafsi. Walakini, wanasayansi hawawezi kusema ikiwa akili za nguruwe zilizowekwa kwenye "aquarium" zilihifadhi ishara za fahamu. Kutokuwepo kwa shughuli za umeme, zilizojaribiwa kwa njia ya kawaida kwa kutumia electroencephalogram, kumshawishi Sestan kwamba "ubongo huu hauna wasiwasi juu ya chochote." Inawezekana kwamba ubongo wa pekee wa mnyama ulikuwa katika coma, ambayo, hasa, inaweza kuwezeshwa na vipengele vya suluhisho la kuosha.

Waandishi hawafichui maelezo ya jaribio - wanatayarisha uchapishaji katika jarida la kisayansi. Walakini, hata ripoti ya Sestan, duni katika maelezo, iliamsha shauku kubwa na uvumi mwingi juu ya maendeleo zaidi ya teknolojia. Inaonekana kwamba kuhifadhi ubongo si vigumu zaidi kitaalam kuliko kuhifadhi kiungo kingine chochote kwa ajili ya upandikizaji, kama vile moyo au figo.

Hii ina maana kwamba kinadharia inawezekana kuhifadhi ubongo wa binadamu katika hali ya asili zaidi au chini.

Ubongo wa pekee unaweza kuwa mfano mzuri, kwa mfano, kwa ajili ya utafiti wa madawa ya kulevya: baada ya yote, vikwazo vya udhibiti vilivyopo vinatumika kwa watu wanaoishi, na si kwa viungo vya mtu binafsi. Hata hivyo, kutokana na mtazamo wa kimaadili, maswali mengi hutokea hapa. Hata swali la kifo cha ubongo bado ni "eneo la kijivu" kwa watafiti - licha ya kuwepo kwa vigezo rasmi vya matibabu, kuna idadi ya hali sawa, ambayo kurudi kwa shughuli za kawaida za maisha bado kunawezekana. Tunaweza kusema nini kuhusu hali hiyo tunapodai kwamba ubongo unabaki hai. Namna gani ikiwa ubongo, ambao umetengwa na mwili, utaendelea kuhifadhi baadhi au sifa zote za utu? Kisha inawezekana kabisa kufikiria hali iliyoelezwa mwanzoni mwa makala hiyo.

Ambapo fahamu hujificha

Licha ya ukweli kwamba hadi miaka ya 80 ya karne ya 20, kulikuwa na wafuasi wa nadharia ya uwili, ambayo hutenganisha roho na mwili, kati ya wanasayansi, katika wakati wetu hata wanafalsafa wanaosoma psyche wanakubali kwamba kila kitu tunachokiita fahamu kinatolewa. na ubongo wa nyenzo (historia Swali linaweza kusomwa kwa undani zaidi, kwa mfano, katika sura hii Ufahamu uko wapi: Historia ya Suala na Matarajio ya Utafutaji kutoka kwa kitabu cha mshindi wa Tuzo ya Nobel Eric Kandel "Katika Kutafuta Kumbukumbu").

Zaidi ya hayo, kwa mbinu za kisasa kama vile upigaji picha wa mwangwi wa sumaku, wanasayansi wanaweza kufuatilia ni sehemu gani za ubongo zimeamilishwa wakati wa mazoezi mahususi ya kiakili. Walakini, wazo la fahamu kwa ujumla ni la kawaida sana, na wanasayansi bado hawakubaliani ikiwa imesimbwa na seti ya michakato inayotokea kwenye ubongo, au ikiwa uhusiano fulani wa neural unawajibika kwa hilo.

Kama Kandel anavyosema katika kitabu chake, kwa wagonjwa walio na hemispheres ya ubongo iliyotenganishwa kwa upasuaji, fahamu imegawanywa katika sehemu mbili, ambayo kila moja hugundua picha huru ya ulimwengu.

Kesi hizi na sawa kutoka kwa mazoezi ya upasuaji wa neva zinaonyesha angalau kuwa kwa uwepo wa fahamu, uadilifu wa ubongo kama muundo wa ulinganifu hauhitajiki. Wanasayansi wengine, pamoja na mgunduzi wa muundo wa DNA Francis Crick, ambaye mwishoni mwa maisha yake alipendezwa na sayansi ya neva, wanaamini kuwa uwepo wa fahamu umedhamiriwa na miundo maalum katika ubongo.

Labda hizi ni mizunguko fulani ya neural, au labda uhakika ni katika seli za wasaidizi za ubongo - astrocytes, ambayo kwa wanadamu, kwa kulinganisha na wanyama wengine, ni maalum sana. Njia moja au nyingine, wanasayansi tayari wamefikia hatua ya kuiga miundo ya mtu binafsi ya ubongo wa binadamu katika vitro ("in vitro") au hata katika vivo (kama sehemu ya ubongo wa wanyama).

Amka kwenye bioreactor

Haijulikani ni hivi karibuni itakuja kwa majaribio juu ya akili nzima iliyotolewa kutoka kwa mwili wa mwanadamu - kwanza, wanasayansi wa neva na maadili lazima wakubaliane juu ya sheria za mchezo. Hata hivyo, katika maabara katika sahani za Petri na viuatilifu, ongezeko la tamaduni tatu za ubongo wa binadamu tayari zinakua "akili ndogo" ambazo zinaiga muundo wa ubongo "kubwa" wa binadamu au sehemu zake maalum.

Katika mchakato wa ukuaji wa kiinitete, viungo vyake huundwa hadi hatua fulani kulingana na mpango fulani ulio katika jeni kulingana na kanuni ya kujipanga. Mfumo wa neva sio ubaguzi. Watafiti waligundua kwamba ikiwa utofautishaji katika seli za tishu za neva unasababishwa katika utamaduni wa seli za shina kwa usaidizi wa vitu fulani, hii inasababisha upangaji upya wa hiari katika utamaduni wa seli, sawa na yale yanayotokea wakati wa mofogenesis ya tube ya neural ya kiinitete.

Seli za shina zinazoletwa kwa njia hii "kwa chaguo-msingi" hutofautisha hatimaye katika niuroni za gamba la ubongo, hata hivyo, kwa kuongeza molekuli zinazoashiria kutoka nje hadi kwenye sahani ya Petri, kwa mfano, seli za ubongo wa kati, striatum au uti wa mgongo zinaweza kupatikana. Ilibadilika kuwa utaratibu wa asili wa corticogenesis kutoka kwa seli za shina za embryonic zinaweza kukuzwa kwenye sahani, gamba halisi, kama vile kwenye ubongo, linalojumuisha tabaka kadhaa za neurons na zenye astrocytes msaidizi.

Ni wazi kwamba tamaduni zenye mwelekeo-mbili zinawakilisha kielelezo kilichorahisishwa sana. Kanuni ya kujipanga ya tishu za neva iliwasaidia wanasayansi haraka kuhamia miundo ya tatu-dimensional inayoitwa spheroids na organelles ya ubongo. Mchakato wa mpangilio wa tishu unaweza kuathiriwa na mabadiliko katika hali ya awali, kama vile msongamano wa utamaduni wa awali na utofauti wa seli, na mambo ya nje. Kwa kurekebisha shughuli za misururu fulani ya kuashiria, inawezekana hata kufikia uundaji wa miundo ya hali ya juu katika aganoid, kama vile kikombe cha macho kilicho na epithelium ya retina, ambayo humenyuka uanuwai wa seli na mienendo ya mtandao katika organoidi za ubongo wa binadamu zenye mwanga.

Matumizi ya chombo maalum na matibabu na mambo ya ukuaji iliruhusu wanasayansi kupata kwa makusudi maendeleo ya cortical ya binadamu katika vitro kwa kutumia seli za shina za pluripotent - organoid ya ubongo ya binadamu inayolingana na forebrain (hemispheres) na cortex, maendeleo ambayo, kwa kuzingatia. usemi wa jeni na alama, sambamba na trimester ya kwanza ya ukuaji wa fetasi …

Na wanasayansi kutoka Stanford, wakiongozwa na Sergiu Pasca, wameunda niuroni za gamba na nyota zinazofanya kazi kutoka kwa seli shina za binadamu zilizojaa katika utamaduni wa 3D, njia ya kukuza mafundo ambayo yanaiga ubongo wa mbele kwenye sahani ya Petri. Ukubwa wa "akili" kama hizo ni karibu milimita 4, lakini baada ya miezi 9-10 ya kukomaa, neurons za cortical na astrocytes katika muundo huu zinahusiana na kiwango cha ukuaji wa baada ya kuzaa, ambayo ni, kiwango cha ukuaji wa mtoto mara baada ya kuzaliwa.

Muhimu zaidi, seli za shina za kukua miundo kama hiyo zinaweza kuchukuliwa kutoka kwa watu maalum, kwa mfano, kutoka kwa wagonjwa walio na magonjwa ya mfumo wa neva. Na maendeleo katika uhandisi wa chembe za urithi yanaonyesha kwamba hivi karibuni wanasayansi wataweza kuona maendeleo ya ubongo wa Neanderthal au Denisovan.

Mnamo mwaka wa 2013, watafiti kutoka Taasisi ya Bioteknolojia ya Molekuli ya Chuo cha Sayansi cha Austria walichapisha nakala ya mfano wa ukuaji wa ubongo wa binadamu na microcephaly ya ubongo, ikielezea ukuzaji wa "ubongo mdogo" kutoka kwa aina mbili za seli za shina kwenye bioreactor, ambayo inaiga muundo wa ubongo wote wa mwanadamu.

Kanda tofauti za organoid ziliendana na sehemu tofauti za ubongo: nyuma, katikati na mbele, na "ubongo wa mbele" hata ulionyesha tofauti zaidi katika lobes ("hemispheres"). Muhimu zaidi, katika ubongo huu mdogo, ambao pia haukuzidi milimita chache kwa ukubwa, wanasayansi waliona ishara za shughuli, hasa kushuka kwa thamani katika mkusanyiko wa kalsiamu ndani ya neurons, ambayo hutumika kama kiashiria cha msisimko wao (unaweza kusoma kwa undani. kuhusu jaribio hili hapa).

Kusudi la wanasayansi halikuwa tu kuzaliana mageuzi ya ubongo katika vitro, lakini pia kusoma michakato ya Masi inayoongoza kwa microcephaly - hali isiyo ya kawaida ya maendeleo ambayo hutokea, hasa, wakati kiinitete kinaambukizwa na virusi vya Zika. Kwa hili, waandishi wa kazi wamekua sawa mini-ubongo kutoka kwa seli za mgonjwa.

Licha ya matokeo ya kuvutia, wanasayansi walikuwa na hakika kwamba organelles hizo hazikuwa na uwezo wa kutambua chochote. Kwanza, ubongo halisi una neuroni bilioni 80, na organoid iliyokua ina maagizo kadhaa ya ukubwa chini. Kwa hivyo, ubongo mdogo hauna uwezo wa kimwili wa kutekeleza kikamilifu kazi za ubongo halisi.

Pili, kwa sababu ya upekee wa maendeleo "in vitro", baadhi ya miundo yake ilipatikana kwa machafuko na kuunda miunganisho isiyo sahihi, isiyo ya kisaikolojia na kila mmoja. Ikiwa ubongo mdogo ulifikiria chochote, ilikuwa wazi kuwa ni jambo lisilo la kawaida kwetu.

Ili kutatua tatizo la mwingiliano wa idara, wanasayansi wa neva wamependekeza kuiga ubongo katika ngazi mpya, inayoitwa "assembloids". Kwa malezi yao, organelles hupandwa kwanza tofauti, sambamba na sehemu za kibinafsi za ubongo, na kisha zinaunganishwa.

Wanasayansi wa mbinu hii walitumia Bunge la spheroids za ubongo wa mbele zilizounganishwa kiutendaji kusoma jinsi ile inayoitwa interneurons, ambayo huonekana baada ya kuundwa kwa wingi wa niuroni kwa kuhama kutoka kwa ubongo wa mbele ulio karibu, huingizwa kwenye gamba. Assembloids zilizopatikana kutoka kwa aina mbili za tishu za ujasiri zimefanya iwezekanavyo kujifunza usumbufu katika uhamiaji wa interneurons kwa wagonjwa wenye kifafa na tawahudi.

Kuamka katika mwili wa mtu mwingine

Hata pamoja na maboresho yote, uwezo wa ubongo-katika-tube unabanwa sana na hali tatu za kimsingi. Kwanza, hawana mfumo wa mishipa unaowawezesha kutoa oksijeni na virutubisho kwa miundo yao ya ndani. Kwa sababu hii, ukubwa wa ubongo-mini ni mdogo na uwezo wa molekuli kuenea kupitia tishu. Pili, hawana mfumo wa kinga, unaowakilishwa na seli za microglial: kwa kawaida seli hizi huhamia mfumo mkuu wa neva kutoka nje. Tatu, muundo unaokua katika suluhisho hauna microenvironment maalum iliyotolewa na mwili, ambayo hupunguza idadi ya molekuli za kuashiria zinazoifikia. Suluhisho la matatizo haya inaweza kuwa kuundwa kwa wanyama wa mfano wenye ubongo wa chimeric.

Kazi ya hivi majuzi Mfano wa kiutendaji na wenye mishipa ya ubongo wa binadamu na wanasayansi wa Marekani kutoka Taasisi ya Salk chini ya uongozi wa Fred Gage inaeleza kuunganishwa kwa chombo cha ubongo cha binadamu (yaani, ubongo-mini) kwenye ubongo wa panya.. Ili kufanya hivyo, wanasayansi kwanza waliingiza jeni kwa protini ya kijani ya fluorescent kwenye DNA ya seli za shina ili hatima ya tishu zinazoendelea za neva inaweza kuzingatiwa kwa kutumia microscopy. Organoids zilikuzwa kutoka kwa seli hizi kwa siku 40, ambazo zilipandikizwa kwenye patiti kwenye gamba la retrosplenal la panya isiyo na kinga. Miezi mitatu baadaye, katika asilimia 80 ya wanyama, upandikizaji huo ulichukua mizizi.

Akili za chimeric za panya zilichambuliwa kwa miezi minane. Ilibadilika kuwa organoid, ambayo inaweza kutofautishwa kwa urahisi na mwangaza wa protini ya fluorescent, iliyounganishwa kwa mafanikio, iliunda mtandao wa mishipa ya matawi, ilikua axons na kuunda sinepsi na michakato ya neva ya ubongo mwenyeji. Kwa kuongeza, seli za microglia zimehamia kutoka kwa mwenyeji hadi kwenye implant. Hatimaye, watafiti walithibitisha shughuli ya kazi ya neurons - walionyesha shughuli za umeme na kushuka kwa thamani kwa kalsiamu. Kwa hivyo, "ubongo-mini" wa mwanadamu uliingia kikamilifu katika muundo wa ubongo wa panya.

Kwa kushangaza, kuunganishwa kwa kipande cha tishu za neva za binadamu hakuathiri tabia ya panya za majaribio. Katika jaribio la ujifunzaji wa anga, panya walio na ubongo wa chimeric walifanya sawa na panya wa kawaida, na hata walikuwa na kumbukumbu mbaya zaidi - watafiti walielezea hili kwa ukweli kwamba kwa kuingizwa walifanya shimo kwenye gamba la ubongo.

Walakini, lengo la kazi hii halikuwa kupata panya mwenye akili na ufahamu wa mwanadamu, lakini kuunda mfano wa vivo wa organelles za ubongo za binadamu zilizo na mtandao wa mishipa na mazingira madogo kwa madhumuni anuwai ya matibabu.

Jaribio la aina tofauti kabisa lilionyeshwa na uwekaji wa Ubongo wa mbele na seli za utangulizi za glial huongeza upekee wa sinepsi na kujifunza kwa panya waliokomaa na wanasayansi katika Kituo cha Translational Neuromedicine katika Chuo Kikuu cha Rochester mnamo 2013. Kama ilivyoelezwa hapo awali, seli za ubongo za kibinadamu (astrocytes) ni tofauti sana na za wanyama wengine, hasa panya. Kwa sababu hii, watafiti wanapendekeza kwamba nyota zina jukumu muhimu katika maendeleo na matengenezo ya kazi za ubongo wa binadamu. Ili kujaribu jinsi ubongo wa panya wa chimeric ungekua na wanaanga wa binadamu, wanasayansi walipanda viambatanisho vya kisaidizi katika ubongo wa viinitete vya panya.

Ilibadilika kuwa katika ubongo wa chimeric, astrocytes ya binadamu hufanya kazi mara tatu kwa kasi zaidi kuliko panya. Zaidi ya hayo, panya walio na akili za chimeric waligeuka kuwa nadhifu zaidi kuliko kawaida kwa njia nyingi. Walikuwa wepesi wa kufikiri, kujifunza vizuri zaidi, na kuabiri msururu. Pengine, panya wa chimeric hawakufikiri kama watu, lakini, labda, wangeweza kujisikia wenyewe katika hatua tofauti ya mageuzi.

Walakini, panya ni mbali na mifano bora ya kusoma ubongo wa mwanadamu. Ukweli ni kwamba tishu za neva za binadamu hukomaa kulingana na saa fulani ya ndani ya Masi, na uhamisho wake kwa kiumbe kingine hauharakishi mchakato huu. Kwa kuzingatia kwamba panya huishi miaka miwili tu, na malezi kamili ya ubongo wa mwanadamu huchukua miongo kadhaa, mchakato wowote wa muda mrefu katika muundo wa ubongo wa chimeric hauwezi kujifunza. Labda mustakabali wa sayansi ya neva bado ni wa akili za binadamu katika aquariums - ili kujua jinsi maadili ni, wanasayansi wanahitaji tu kujifunza jinsi ya kusoma akili, na teknolojia ya kisasa inaonekana kuwa na uwezo wa kufanya hivi hivi karibuni.