Som forskere studerer den menneskelige hjerne isoleret fra kroppen

Tidsskriftet Nature offentliggjordeEtik eksperimentere med humant hjernevæv robin 17 førende hjerneforskere, hvor forskerne diskuteret fremskridtene i udviklingen af ​​den menneskelige hjerne modeller. Frygten for eksperter er som følger: sandsynligvis i den nærmeste fremtid modellen vil være så fremskreden, at de ville spille ikke kun strukturen, men også de menneskelige hjernefunktioner.

Er det muligt at skabe en "in vitro" et stykke af nervevæv, har bevidsthed? Forskerne kender hjernens struktur af dyr i detaljer, men ikke fundet indtil nu, hvilken slags struktur "Encode" sindet og hvordan man kan måle sin tilstedeværelse, når det kommer til den isolerede hjerne eller lignende.

Hjernen i akvariet

"Forestil dig, at du vågnede op i en isoleret isolationstank - omkring der er intet lys, ingen lyd, ingen eksterne stimuli. Kun din bevidsthed, hængende i tomrummet. "

Dette billede repræsenterer sig selv eksperter i etik, kommentere en erklæring fra Yale University neurolog Nenad Sestao (Nenad Sestan), at hans hold styres inden for 36 timer for at opretholde den isolerede gris hjernen i "live" tilstand.

beskedForskere holder svin hjerner i live uden for kroppen vellykket eksperiment blev foretaget på et møde i den etiske komité af National Institutes of Health i slutningen af ​​marts i år. Ifølge forskeren, ved anvendelse af et pumpesystem med opvarmede titlen BrainEx og syntetisk erstatning for blod, støttet forskere vaeskecirkulationssystem og iltforsyning til hundredvis af dyr isolerede hjerne, slået ihjel på et slagteri i et par timer, før den eksperimentere.

At dømme efter bevarelse aktivitet af milliarder af individuelle neuroner, de organer, forblev i live. Dog kan forskerne ikke sige, om de bevarede svinekød hjerner, placeret i den "akvarium", tegn på bevidsthed. Fraværet af elektrisk aktivitet, en gennemprøvet standardmetode ved hjælp af en elektroencefalogram, Sestao overbevist om, at "hjernen enten er ikke bekymret for noget." Det er muligt, at en isoleret dyrehjerne i en tilstand af koma, som især kunne bidrage til vaske komponenterne i dens opløsning.

Nærmere oplysninger om forfatterne ikke videregiver forsøget - de forbereder en publikation i et videnskabeligt tidsskrift. Ikke desto mindre, selv i de fattige dele Sestao rapportere det vakt stor interesse og en masse spekulationer om den videre udvikling af teknologien. Tilsyneladende, bevarelse af hjernen ikke er teknisk langt vanskeligere end nogen anden organbevarelse til transplantation, såsom hjerte eller nyre.

Det betyder, at i princippet kan lagres i en mere eller mindre naturlig tilstand og den menneskelige hjerne.

Isolerede hjerner kunne være en god model, for eksempel til studiet af narkotika: fordi de eksisterende lovgivningsmæssige begrænsninger for mennesker, og ikke på de enkelte organer. Men ud fra et etisk synspunkt, det rejser en masse spørgsmål. Selv spørgsmålet om hjernedød er stadig en "gråzone" for forskere - på trods af formelle medicinske kriterier, der er en række af lignende tilstande, hvorfra en tilbagevenden til et normalt liv mere muligt. Hvad kan vi sige om situationen, når vi siger, at hjernen stadig er i live. Hvad hvis der er isoleret fra kroppen fortsætter hjernen skal holdes i sig selv alle eller nogle af de tegn på identitet? Så er det muligt at forestille sig den situation, der er beskrevet tidligere i denne artikel.

Hvor bevidstheden løgne

Trods det faktum, at op til 80-erne af XX århundrede eksisterede blandt forskere fortalere for teorien om dualisme, der adskiller sjælen fra kroppen, i vor tid, selv filosoffer, helliget studiet af psyken, vi er enige om, at alt det, vi kalder bevidsthed er genereret af materialet hjerne (historie af problemet kan læses mere detaljeret, for eksempel, i dette kapitelHvor er bevidstheden: baggrunden og forskning perspektiver fra bogen af ​​nobelpristageren Eric Kandel "In Search of Memory").

Desuden med dagens teknikker, såsom funktionel magnetisk resonans-billeddannelse, videnskabsmænd kan se, hvad slags områder af hjernen aktiveres under udførelse af specifikke psykiske øvelser. Ikke desto mindre er begrebet bevidsthed som helhed er for flygtig, og forskerne har stadig ikke enige om, hvorvidt det er et sæt af processer, der forekommer i hjernen, eller det er kodet opfylder visse neurale korrelater.

Det fortæller i sin bog, Kandel, hos patienter med kirurgisk adskilte halvkugler af hjernen bevidsthed, da det blev delt i to, som hver modtager et uafhængigt syn på verden.

Disse og lignende tilfælde af neurokirurgiske praksis indikerer mindst det faktum, at eksistensen af ​​bevidsthed hjerne integritet som symmetrisk struktur ikke er nødvendig. Nogle forskere, herunder opdageren af ​​strukturen af ​​DNA, Francis Crick, der ved slutningen af ​​livet blev interesseret i neurovidenskab, menes det, at tilstedeværelsen af ​​bevidsthed er bestemt af de specifikke strukturer i hjernen.

Måske er det bestemt neurale kæde, og kan være tilfældet i støtte af hjerneceller - astrocytterAt en person har, sammenlignet med andre dyr, det er helt specialiseret. Anyway, før modellering af individuelle menneskelige hjerne strukturer in vitro ( "In vitro"), eller endda in vivo (Som en del af animalsk hjernen) forskere har allerede nået.

Vågn op i bioreaktoren

Det vides ikke, hvor hurtigt det kommer til eksperimenter på hele hjerner udvundet fra det menneskelige legeme - første specialister i neurovidenskab og etik skal være enige om reglerne i spillet. Ikke desto mindre, i laboratorier i petriskåle og bioreaktorer er allerede voksetFremkomsten af ​​tredimensionale menneskelige hjerne kulturer "Mini-hjerne", som efterligner strukturen af ​​"store" den menneskelige hjerne eller en bestemt afdeling.

Under fosterudviklingen af ​​dens organer er dannet i overensstemmelse med visse faser af visse gener indlejret i programmet i henhold til princippet om selvorganisering. Er ingen undtagelse og nervesystemet. Forskerne fandt, at hvis en kultur af stamceller under anvendelse af visse stoffer for at inducere differentiering til nerveceller væv fører dette til spontane omlejringer i cellekultur, der ligner dem, der forekommer under neuralrøret morfogenese embryo.

"Standard" induceres på denne måde stamceller differentierer at ende i cortex-neuroner hjerne, men ved at tilføje eksterne signalmolekyler i en petriskål, kan fremstilles, for eksempel, celler midthjernen, striatum eller rygmarven. Det viste sig, at i koppen kan dyrkesEn iboende mekanisme af corticogenesis af embryonale stamceller denne bark, såvel som i hjernen, der består af flere lag af neuroner og astrocytter indeholdende hjælpestoffer.

Det er klart, at de todimensionelle kulturer meget forenklet model. Princippet om selvorganisering af nervevævet har hjulpet forskere til hurtigt at springe til tredimensionelle strukturer kaldet organeller spheroider og cerebral. På den tilrettelæggelse af vævet kan påvirkes af ændringer i de oprindelige betingelser, såsom indledende densitet af kulturen og heterogeniteten af ​​cellerne, og ydre faktorer. Modulere aktiviteten af ​​visse signalveje, kan du endda opnå dannelsen af ​​organel avancerede strukturer såsom den optiske kop med retinal epitel, lydhørCell mangfoldighed og netværk dynamik i lysfølsomme menneskelige hjerne organoider til lys.

Ved hjælp af en særlig behandling fartøj og vækstfaktorer tilladt forskere modtager retningsbestemtModellering human cortical udvikling in vitro anvendelse inducerede pluripotente stamceller human cerebral organoide tilsvarende forhjerne (halvkugler) bark, hvis udvikling, ifølge ekspressionen af ​​gener og markører svarer til det første trimester fosterudviklingen.

A forskere fra Stanford førte Serghiou Pask (Sergiu Pasca) udvikletFunktionelle corticale neuroner og astrocytter fra humane pluripotente stamceller i 3D kultur måde at dyrke klumper, der simulerer forhjernen direkte i petriskålen. Størrelsen af ​​sådanne "hjerner" på ca. 4 mm, men efter 9-10 måneders modning corticale neuroner og astrocytter svarer i denne strukturHuman astrocyt Modning Captured i 3D Cerebral Cortikale Spheroids arvet fra pluripotente stamceller postnatal udvikling niveau, dvs. niveauet for udvikling af barnet umiddelbart efter fødslen.

Vigtigere er, kan stamcellerne til at vokse disse strukturer tages på bestemte individer, såsom patienter med genetisk bestemte sygdomme i nervesystemet. En genteknologi succes tyder på, at forskerne snart vil være i stand til at observere in vitro udviklingen af ​​Neanderthal hjernen eller denisovtsa.

I 2013 forskere fra Institut for Molekylær Bioteknologi i den østrigske videnskabsakademi offentliggjort et papirCerebral organoider model menneskelige hjerne udvikling og microcephalyBeskriver dyrkning i en bioreaktor på de to typer stamceller, "hjernen i miniature", efterligner strukturen af ​​den menneskelige hjerne som helhed.

Organel forskellige zoner svarer til forskellige dele af hjernen: ryggen, midterste og forreste og "forhjerne" selv viste en yderligere differentiering til aktier ( "halvkugle"). Hvad der er vigtigt, i denne mini-hjerne, hvis størrelse er heller ikke mere end et par millimeter, forskerne observerede tegn på aktivitet, især udsving i koncentration af calcium inden neuroner, som er indikativt for deres excitation (for detaljer vedrørende dette eksperiment read kan her).

Målet med forskerne har været ikke blot at gengive udviklingen af ​​hjernen in vitroMen også at undersøge de molekylære processer, der fører til mikrocefali - udviklingsmæssige abnormaliteter, som forekommer især under infektion af embryo Zika virus. For dette arbejde rejste forfatterne samme mini-hjerne af patientens celler.

På trods af de imponerende resultater, forskerne var overbevist om, at sådanne organeller er ude af stand til at indse noget. For det første i denne hjerne indeholder omkring 80 milliarder neuroner, og deres organeller vokset med størrelsesordener mindre. Således er den mini-hjerne simpelthen ikke fysisk i stand til fuldt ud at udføre de funktioner i hjernen.

For det andet, på grund af karakteren af ​​"in vitro" nogle af sine strukturer blev placeret temmelig kaotisk og uregelmæssig formede, ikke-fysiologiske forbindelser med hinanden. Hvis mini-hjerne noget og troede, det var helt klart noget usædvanligt for os.

For at løse problemet med samspillet mellem afdelinger, har neuroforskere foreslået model hjerne på et nyt niveau, der blev udnævnt til "assembloidy". For deres dannelse først dyrket separat organeller svarende til separate dele af hjernen, og derefter de fusioneres.

Denne tilgang, har forskerne brugtSamling af funktionelt integrerede menneskelige forhjernen sphæroider til undersøgelse hvordan skorpen bygget de såkaldte interneuroner, som vises efter dannelsen af ​​størstedelen af ​​neuroner ved migration fra nabo-forhjerne. Assembloidy udledes af to typer af nervevæv, lov til at undersøge overtrædelser af interneuron migration i patienter med epilepsi og autisme.

Vågn op i en andens krop

Selv med alle de forbedringer muligt "hjerne in vitro" alvorligt begrænset af tre grundlæggende betingelser. For det første har de ikke en vaskulær system, der tillader levering af ilt og næringsstoffer til de indre strukturer. Af denne grund er størrelsen af ​​mini-hjerner er begrænset til diffusion af molekyler gennem vævet. For det andet har de ingen immunsystemet, leveret af mikrogliaceller: normal, disse celler vandrer ind i det centrale nervesystem udefra. Tredje, i struktur, stigende i opløsningen, er der ingen specifik mikromiljø billede af kroppen, hvilket begrænser antallet af signalmolekyler indtastning. Løsningen på disse problemer ville være at skabe en kimære dyremodel hjernen.

I seneste arbejdeen in vivo model af funktionelle og vaskulariseret humane hjerne organoider Amerikanske forskere fra Salk Institute ledet af Fred Gage (Fred Gage) den beskriver integrationen af ​​det menneskelige cerebral organel (dvs. mini-hjerne) i musen hjernen. For at gøre dette, forskerne først bygget i DNA'et i den stamcelle-genet grønt fluorescerende protein til skæbne udvikle nervevæv kunne observeres med et mikroskop. Fra disse celler blev dyrket i 40 dage organeller at efter implanteret i hulrummet i retrospenialis cortex immundefekte mus. Efter tre måneder, 80 procent af dyrene fanget på implantatet.

Kimære mus hjerner blev analyseret i otte måneder. Det blev fundet, at organeller som let kan skelnes ved skæret af et fluorescerende protein, med succes integreret, dannet en omfattende vaskulatur, voksede axonerne og dannede synapser med nerve processer herres hjerne. Desuden fra værten i implantatet flyttet mikrogliaceller. Endelig bekræftede forskerne den funktionelle aktivitet af neuroner - de viste elektriske aktivitet og calcium udsving. Således menneskelige "mini-hjerne" fuldt blev en del af musen hjernen.

Overraskende er opførslen af ​​den eksperimentelle mus integration af det humane nervevæv stykke ikke påvirket. I testen for rumlig indlæring kimære mus hjerne udviste de samme resultater som for normale mus, og afveg endnu værre hukommelse - forskerne forklarede dette med, at de har gjort for implantation af et hul i barken halvkugle.

Ikke desto mindre blev formålet med dette arbejde ikke at få smart mus med menneskelige bevidsthed og skabelsen af in vivo model af cerebrale organeller personen er udstyret med et netværk af skibe og mikromiljø til forskellige biomedicinske anvendelser.

Forsøget var en helt anden form for putForhjerne-indpodning af humane gliale progenitorceller øger synaptisk plasticitet og læring i voksne mus Forskere fra Center for Translationel neyromeditsiny University of Rochester i 2013. Som tidligere nævnt, hjælpestoffer marvceller (astrocytter) Human adskiller sig fra andre dyreceller, især mus. Derfor foreslår forskerne, at astrocytter spiller en vigtig rolle i udviklingen og vedligeholdelsen af ​​de menneskelige hjernefunktioner. Til test hvordan man kan udvikle en kimære mus med menneskelige hjerne astrocytter, har forskerne placeret forgængere tilbehør celler i hjernen af ​​museembryoer.

Det viste sig, at i de kimære menneskelige hjerne astrocytter arbejder tre gange hurtigere end musen. Desuden kimære mus med hjerne var meget klogere end gennemsnittet i mange henseender. De tror hurtigt, bedre uddannede og fokuseret i labyrinten. Sandsynligvis kimære mus ikke tænker som mennesker, men kunne have været i stand til at føle den næste fase af udviklingen.

Ikke desto mindre, for studiet af den menneskelige hjerne gnavere langt fra den ideelle model. Det faktum, at det humane nervevæv modnes ifølge nogle indre molekylær ur, og overføre den til en anden organisme ikke fremskynde processen. I betragtning af, at musene levede i to år, og den samlede dannelse af den menneskelige hjerne tager et par årtier, eventuelle langsigtede processer i form af kimære hjerne undersøgelse umulig. Måske fremtiden for neurovidenskab stadig ud over den menneskelige hjerne i akvarier - for at finde ud af, hvordan det er uetisk, forskerne bare nødt til at lære at læse tanker, og moderne teknologi, ser det ud til, vil snart gøre det muligt gøre.

se også

• 8 tankeeksperimenter, der vil gøre du tror →
• 4 spørgsmål til hjælp starte en interessant samtale →
• Sådan opklare mysterier hjernen og lære at håndtere det: 15 nyttige bøger →