Tədqiqatçılar insan beynini bədəndən təcrid olunmuş şəkildə necə öyrənirlər

2024 Müəllif: Malcolm Clapton | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2023-12-17 03:47

Elm adamları insan beyninin modellərini necə yaradır və bu cür araşdırmalar hansı etik problemləri ortaya qoyur.

“Nature” jurnalı dünyanın 17 aparıcı nevroloqunun kollektiv məktubunu “İnsan beyin toxuması ilə eksperimentlərin etikası” nəşr etdi və orada alimlər insan beyni modellərinin inkişafındakı irəliləyişləri müzakirə etdilər. Mütəxəssislərin qorxuları belədir: yəqin ki, yaxın gələcəkdə modellər o qədər təkmilləşəcək ki, onlar təkcə strukturu deyil, həm də insan beyninin funksiyalarını canlandırmağa başlayacaqlar.

Şüuru olan sinir toxumasının bir parçasını "bir sınaq borusunda" yaratmaq mümkündürmü? Alimlər heyvanların beyninin strukturunu ən xırda detallarına qədər bilirlər, lakin təcrid olunmuş beyindən və ya onun oxşarlığından danışırıqsa, şüuru hansı strukturların "kodladığını" və onun mövcudluğunu necə ölçəcəyini hələ də başa düşməyiblər.

Akvariumda beyin

“Təsəvvür edin ki, təcrid olunmuş sensor məhrumiyyət kamerasında oyanırsınız - ətrafda nə işıq, nə səs, nə də xarici stimullar var. Yalnız şüurunuz, boşluqda asılır."

Bu, Yale Universitetinin nevroloqu Nenad Sestanın komandasının təcrid olunmuş donuz beynini 36 saat canlı saxlaya bildiyinə dair açıqlamasını şərh edən etika mütəxəssislərinin şəklidir.

Tədqiqatçılar donuz beyinlərini bədəndən kənarda canlı saxlayırlar. Bu ilin mart ayının sonlarında ABŞ Milli Sağlamlıq İnstitutunun Etika Komitəsinin iclasında uğurlu təcrübə hesabatı edilib. Tədqiqatçılar BrainEx adlı qızdırılan nasos sistemindən və sintetik qan əvəzedicisindən istifadə edərək, təcrübədən bir neçə saat əvvəl kəsimxanada öldürülən yüzlərlə heyvanın təcrid olunmuş beyinlərinə maye dövranını və oksigen tədarükünü təmin ediblər.

Milyarlarla fərdi neyronların fəaliyyətinin davamlılığına görə orqanlar sağ qaldı. Lakin alimlər “akvarium”a yerləşdirilən donuz beyinlərinin şüur əlamətlərini saxlayıb-saxlamadığını deyə bilmirlər. Elektroansefaloqramma vasitəsilə standartlaşdırılmış şəkildə sınaqdan keçirilmiş elektrik aktivliyinin olmaması Sestanı “bu beyin heç nədən narahat olmadığına” inandırıb. Mümkündür ki, heyvanın təcrid olunmuş beyni komada idi, xüsusən də onu yuyan məhlulun komponentləri ilə asanlaşdırıla bilər.

Müəlliflər eksperimentin təfərrüatlarını açıqlamırlar - onlar elmi jurnalda nəşr hazırlayırlar. Buna baxmayaraq, hətta Sestanın təfərrüatları zəif olan hesabatı böyük maraq və texnologiyanın gələcək inkişafı ilə bağlı çoxlu fərziyyələr doğurdu. Belə görünür ki, beyni qorumaq, ürək və ya böyrək kimi transplantasiya üçün hər hansı digər orqanı qorumaqdan daha texniki cəhətdən çətin deyil.

Bu o deməkdir ki, nəzəri cəhətdən insan beynini az-çox təbii vəziyyətdə saxlamaq mümkündür.

İzolyasiya edilmiş beyinlər, məsələn, dərmanların tədqiqi üçün yaxşı bir model ola bilər: axı, mövcud tənzimləmə məhdudiyyətləri ayrı-ayrı orqanlara deyil, canlı insanlara aiddir. Lakin etik baxımdan burada çoxlu suallar yaranır. Hətta beyin ölümü məsələsi tədqiqatçılar üçün "boz sahə" olaraq qalır - formal tibbi meyarların mövcudluğuna baxmayaraq, bir sıra oxşar şərtlər mövcuddur ki, onlardan normal həyat fəaliyyətinə qayıtmaq hələ də mümkündür. Beynin sağ qaldığını iddia etdikdə vəziyyət haqqında nə deyə bilərik. Bədəndən təcrid olunmuş beyin şəxsiyyət xüsusiyyətlərinin bir qismini və ya hamısını saxlamağa davam edərsə, necə? O zaman məqalənin əvvəlində təsvir olunan vəziyyəti təsəvvür etmək olduqca mümkündür.

Şüurun gizləndiyi yerdə

20-ci əsrin 80-ci illərinə qədər elm adamları arasında ruhu bədəndən ayıran dualizm nəzəriyyəsinin tərəfdarları olmasına baxmayaraq, bizim dövrümüzdə hətta psixikanı öyrənən filosoflar belə razılaşırlar ki, şüur dediyimiz hər şey əmələ gəlir. maddi beyin tərəfindən (tarix Sualı daha ətraflı oxumaq olar, məsələn, bu fəsildə Şüur haradadır: Nobel mükafatı laureatı Erik Kandelin "Yaddaş axtarışında" kitabından məsələnin tarixi və axtarış perspektivləri).

Üstəlik, funksional maqnit rezonans tomoqrafiyası kimi müasir üsullarla alimlər xüsusi zehni məşqlər zamanı beynin hansı sahələrinin aktivləşdiyini izləyə bilirlər. Buna baxmayaraq, bütövlükdə şüur anlayışı çox efemerdir və elm adamları hələ də onun beyində baş verən bir sıra proseslər tərəfindən kodlaşdırılıb-kodlaşdırılmadığı və ya müəyyən neyron korrelyasiyaların bunun üçün cavabdeh olub-olmaması ilə bağlı razılaşa bilmirlər.

Kandelin kitabında dediyi kimi, cərrahi yolla ayrılmış beyin yarımkürələri olan xəstələrdə şüur iki yerə bölünür, hər biri dünyanın müstəqil mənzərəsini dərk edir.

Neyrocərrahiyyə praktikasından bu və buna bənzər hallar ən azı şüurun mövcudluğu üçün beynin simmetrik bir quruluş kimi bütövlüyünün tələb olunmadığını göstərir. Ömrünün sonunda nevrologiya ilə maraqlanan DNT strukturunun kəşfçisi Frensis Krik də daxil olmaqla bəzi elm adamları şüurun mövcudluğunun beyindəki spesifik strukturlarla müəyyən edildiyinə inanırlar.

Ola bilsin ki, bunlar müəyyən sinir dövrələridir və ya bəlkə də məsələ beynin köməkçi hüceyrələrindədir - astrositlər, insanlarda digər heyvanlarla müqayisədə olduqca yüksək ixtisaslaşmışdır. Bu və ya digər şəkildə alimlər insan beyninin ayrı-ayrı strukturlarını in vitro (“in vitro”) və ya hətta in vivo (heyvanların beyninin bir hissəsi kimi) modelləşdirmə nöqtəsinə çatmışlar.

Bir bioreaktorda oyan

İnsan bədənindən çıxarılan bütöv beyinlər üzərində eksperimentlərə nə qədər tez gələcəyi məlum deyil - ilk növbədə, nevroloqlar və etika mütəxəssisləri oyunun qaydalarını razılaşdırmalıdırlar. Buna baxmayaraq, Petri qabları və bioreaktorlarındakı laboratoriyalarda üçölçülü insan beyni mədəniyyətlərinin yüksəlişi artıq “böyük” insan beyninin strukturunu və ya onun spesifik hissələrini təqlid edən “mini beyinlər” yetişdirir.

Embrionun inkişafı prosesində onun orqanları özünü təşkil etmə prinsipinə əsasən genlərə xas olan hansısa proqrama uyğun olaraq müəyyən mərhələlərə qədər formalaşır. Sinir sistemi də istisna deyil. Tədqiqatçılar müəyyən ediblər ki, əgər kök hüceyrə mədəniyyətində müəyyən maddələrin köməyi ilə sinir toxumasının hüceyrələrinə diferensiallaşma baş verirsə, bu, embrion sinir borusunun morfogenezində baş verənlərə bənzər hüceyrə kulturasında kortəbii yenidən qurulmalara gətirib çıxarır.

Bu şəkildə "standart olaraq" induksiya edilən kök hüceyrələr sonda beyin qabığının neyronlarına diferensiallaşır, lakin Petri qabına xaricdən siqnal molekulları əlavə etməklə, məsələn, ara beyin, striatum və ya onurğa beyni hüceyrələri əldə edilə bilər. Məlum oldu ki, embrion kök hüceyrələrindən kortikogenezin daxili mexanizmi beyindəki kimi, bir neçə neyron təbəqəsindən ibarət və köməkçi astrositlərdən ibarət olan bir qabda, həqiqi korteksdə yetişdirilə bilər.

Aydındır ki, iki ölçülü mədəniyyətlər olduqca sadələşdirilmiş modeli təmsil edir. Sinir toxumasının özünü təşkil etmə prinsipi alimlərə sferoidlər və beyin orqanoidləri adlanan üçölçülü strukturlara sürətlə keçməyə kömək etdi. Toxumanın təşkili prosesinə ilkin şəraitdəki dəyişikliklər, məsələn, ilkin kultura sıxlığı və hüceyrə heterojenliyi və ekzogen amillər təsir edə bilər. Müəyyən siqnal kaskadlarının fəaliyyətini modulyasiya etməklə, hətta işığa həssas insan beyninin orqanoidlərində Hüceyrə müxtəlifliyinə və şəbəkə dinamikasına reaksiya verən retinal epiteli ilə optik kubok kimi orqanoiddə qabaqcıl strukturların formalaşmasına nail olmaq mümkündür.

Xüsusi bir gəminin istifadəsi və böyümə faktorları ilə müalicə alimlərə induksiya edilmiş pluripotent kök hüceyrələrdən - inkişafın mühakimə olunduğuna əsasən, korteksi olan ön beyinə (yarımkürələrə) uyğun gələn insan beyin orqanoidindən istifadə edərək in vitro insan kortikal inkişafının modelləşdirilməsini məqsədyönlü şəkildə əldə etməyə imkan verdi. genlərin və markerlərin ifadəsi, fetal inkişafın ilk trimestrinə uyğundur …

Sergiu Paskanın rəhbərlik etdiyi Stanford alimləri 3D mədəniyyətində insan pluripotent kök hüceyrələrindən Funksional kortikal neyronlar və astrositlər işləyib hazırlayıblar. Belə "beyinlərin" ölçüsü təxminən 4 millimetrdir, lakin 9-10 aylıq yetkinlikdən sonra bu strukturda kortikal neyronlar və astrositlər postnatal inkişaf səviyyəsinə, yəni doğuşdan dərhal sonra körpənin inkişaf səviyyəsinə uyğun gəlir.

Əhəmiyyətli odur ki, bu cür strukturların yetişdirilməsi üçün kök hüceyrələr konkret insanlardan, məsələn, sinir sisteminin genetik cəhətdən müəyyən edilmiş xəstəlikləri olan xəstələrdən götürülə bilər. Genetik mühəndislikdəki irəliləyişlər onu deməyə əsas verir ki, elm adamları tezliklə neandertal və ya Denisovanın beyninin inkişafını in vitro müşahidə edə biləcəklər.

2013-cü ildə Avstriya Elmlər Akademiyasının Molekulyar Biotexnologiya İnstitutunun tədqiqatçıları serebral orqanoidlər insan beyninin inkişafı və mikrosefaliyanı modelləşdirən məqalə dərc etdirərək, bioreaktorda iki növ kök hüceyrədən “miniatür beyin” yetişdirilməsini təsvir ediblər. bütün insan beyninin quruluşu.

Orqanoidin müxtəlif zonaları beynin müxtəlif hissələrinə uyğun gəlirdi: arxa, orta və ön, və "ön beyin" hətta loblara ("yarımkürələrə") daha çox fərqlilik göstərdi. Əhəmiyyətlisi odur ki, ölçüsü də bir neçə millimetrdən çox olmayan bu mini beyində elm adamları fəaliyyət əlamətlərini, xüsusən də onların həyəcanının göstəricisi kimi xidmət edən neyronların içərisində kalsium konsentrasiyasının dəyişməsini müşahidə ediblər (ətraflı oxuya bilərsiniz). bu təcrübə haqqında burada).

Alimlərin məqsədi təkcə beynin təkamülünü in vitro şəkildə təkrarlamaq deyil, həm də mikrosefaliyaya gətirib çıxaran molekulyar prosesləri - xüsusən də embrionun Zika virusuna yoluxduğu zaman baş verən inkişaf anomaliyasını öyrənmək olub. Bunun üçün işin müəllifləri xəstənin hüceyrələrindən eyni mini beyni yetişdiriblər.

Təsirli nəticələrə baxmayaraq, elm adamları belə orqanoidlərin heç bir şeyi həyata keçirə bilməyəcəyinə əmin idilər. Birincisi, həqiqi beyin təxminən 80 milyard neyrondan ibarətdir və böyüyən orqanoid bir neçə böyüklükdən daha azdır. Beləliklə, mini-beyin, sadəcə olaraq, fiziki olaraq həqiqi beynin funksiyalarını tam yerinə yetirmək qabiliyyətinə malik deyil.

İkincisi, "in vitro" inkişaf xüsusiyyətlərinə görə onun bəzi strukturları kifayət qədər xaotik yerləşmiş və bir-biri ilə düzgün olmayan, qeyri-fizioloji əlaqələr yaratmışdır. Mini-beyin bir şey düşünürdüsə, bu, bizim üçün qeyri-adi bir şey idi.

Şöbələrin qarşılıqlı əlaqəsi problemini həll etmək üçün nevroloqlar beyni “assembloidlər” adlanan yeni səviyyədə modelləşdirməyi təklif ediblər. Onların əmələ gəlməsi üçün orqanoidlər əvvəlcə beynin ayrı-ayrı hissələrinə uyğun olaraq ayrıca böyüdülür və sonra birləşdirilir.

Bu yanaşmadan elm adamları, qonşu ön beyindən miqrasiya yolu ilə neyronların əsas hissəsinin formalaşmasından sonra meydana çıxan sözdə interneyronların korteksə necə daxil edildiyini öyrənmək üçün funksional olaraq inteqrasiya olunmuş insan ön beyin sferoidlərinin Assambleyasından istifadə etdilər. İki növ sinir toxumasından alınan assembloidlər epilepsiya və autizmli xəstələrdə interneyronların miqrasiyasının pozulmasını öyrənməyə imkan verib.

Başqasının bədənində oyan

Bütün təkmilləşdirmələrə baxmayaraq, boruda beyin imkanları üç əsas şərtlə ciddi şəkildə məhdudlaşdırılır. Birincisi, onların daxili strukturlarına oksigen və qida çatdırmaq imkanı verən damar sistemi yoxdur. Bu səbəbdən mini beyinlərin ölçüsü molekulların toxuma vasitəsilə yayılma qabiliyyəti ilə məhdudlaşır. İkincisi, onların mikroglial hüceyrələrlə təmsil olunan immun sistemi yoxdur: normal olaraq bu hüceyrələr kənardan mərkəzi sinir sisteminə miqrasiya edirlər. Üçüncüsü, məhlulda böyüyən strukturda orqanizm tərəfindən təmin edilən xüsusi mikromühit yoxdur ki, bu da ona çatan siqnal molekullarının sayını məhdudlaşdırır. Bu problemlərin həlli kimerik beyinlərə malik model heyvanların yaradılması ola bilər.

Fred Gage-nin rəhbərliyi altında Salk İnstitutundan Amerika alimləri tərəfindən funksional və vaskulyarlaşdırılmış insan beyni orqanoidlərinin son işi An in vivo modeli insan beyin orqanoidinin (yəni mini beyin) siçanın beyninə inteqrasiyasını təsvir edir.. Bunu etmək üçün alimlər əvvəlcə kök hüceyrələrin DNT-sinə yaşıl flüoresan zülalın genini daxil etdilər ki, mikroskop vasitəsilə inkişaf edən sinir toxumasının taleyini müşahidə etmək mümkün olsun. Bu hüceyrələrdən 40 gün ərzində orqanoidlər yetişdirilib, sonra immun çatışmazlığı olan siçanın retrosplenal korteksindəki boşluğa implantasiya edilib. Üç ay sonra, heyvanların 80 faizində implant kök saldı.

Siçanların kimerik beyinləri səkkiz ay ərzində təhlil edilib. Məlum olub ki, flüoresan zülalının lüminessensiyasına görə asanlıqla fərqlənə bilən orqanoid uğurla inteqrasiya edərək şaxələnmiş damar şəbəkəsi əmələ gətirir, aksonları böyüdür və ev sahibi beynin sinir prosesləri ilə sinapslar əmələ gətirir. Bundan əlavə, mikroglia hüceyrələri anadan implanta köçdü. Nəhayət, tədqiqatçılar neyronların funksional aktivliyini təsdiqlədilər - onlar elektrik aktivliyi və kalsiumda dalğalanmalar göstərdilər. Beləliklə, insanın "mini-beyni" siçan beyninin tərkibinə tam daxil oldu.

Təəccüblüdür ki, insan sinir toxumasının bir parçasının inteqrasiyası eksperimental siçanların davranışına təsir etməyib. Məkan öyrənmə testində, kimerik beyinli siçanlar adi siçanlar kimi işləyir və hətta daha pis yaddaşa malikdirlər - tədqiqatçılar bunu implantasiya üçün beyin qabığında deşik açmaları ilə izah edirlər.

Buna baxmayaraq, bu işin məqsədi insan şüuruna malik ağıllı siçan əldə etmək deyil, müxtəlif biotibbi məqsədlər üçün damar şəbəkəsi və mikromühitlə təchiz edilmiş insan beyin orqanoidlərinin in vivo modelini yaratmaq idi.

2013-cü ildə Rochester Universitetinin Tərcümə Neyrotibb Mərkəzinin alimləri tərəfindən insan qlial progenitor hüceyrələri tərəfindən ön beyinin aşındırılması ilə tamamilə fərqli bir təcrübə aparıldı. Daha əvvəl qeyd edildiyi kimi, insanın köməkçi beyin hüceyrələri (astrositlər) digər heyvanların, xüsusən də siçanlarınkından çox fərqlidir. Bu səbəbdən tədqiqatçılar astrositlərin insan beyin funksiyalarının inkişafı və saxlanmasında mühüm rol oynadığını irəli sürürlər. Kimerik siçan beyninin insan astrositləri ilə necə inkişaf edəcəyini yoxlamaq üçün elm adamları siçan embrionlarının beyinlərinə köməkçi hüceyrə prekursorları əkdilər.

Məlum olub ki, kimerik beyində insan astrositləri siçanlardan üç dəfə tez işləyir. Üstəlik, kimerik beyinləri olan siçanlar bir çox cəhətdən həmişəkindən əhəmiyyətli dərəcədə ağıllı olduqları ortaya çıxdı. Onlar daha tez düşünür, daha yaxşı öyrənir və labirintdə gəzirdilər. Yəqin ki, kimerik siçanlar insanlar kimi düşünmürdülər, amma bəlkə də təkamülün fərqli mərhələsində özlərini hiss edə bilirdilər.

Bununla belə, gəmiricilər insan beynini öyrənmək üçün ideal modellərdən uzaqdırlar. İş ondadır ki, insanın sinir toxuması hansısa daxili molekulyar saata uyğun olaraq yetişir və onun başqa orqanizmə keçməsi bu prosesi sürətləndirmir. Nəzərə alsaq ki, siçanlar cəmi iki il yaşayır və insan beyninin tam formalaşması bir neçə onilliklər çəkir, kimerik beyin formatında hər hansı uzunmüddətli prosesləri öyrənmək mümkün deyil. Ola bilsin ki, nevrologiyanın gələcəyi hələ də akvariumlardakı insan beyninə aiddir - bunun nə qədər etik olduğunu öyrənmək üçün alimlər sadəcə olaraq zehni oxumağı öyrənməlidirlər və müasir texnologiya, deyəsən, tezliklə bunu edə biləcək.