Si studiuesit studiojnë trurin e njeriut të izoluar nga trupi

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-17 04:10

Si i krijojnë shkencëtarët modele të trurit të njeriut dhe çfarë çështjesh etike ngrenë një hulumtim i tillë.

Revista Nature botoi Etikën e eksperimentimit me indin e trurit të njeriut, një letër kolektive e 17 neuroshkencëtarëve kryesorë në botë, në të cilën shkencëtarët diskutuan përparimin në zhvillimin e modeleve të trurit njerëzor. Frika e specialistëve është si më poshtë: ndoshta në të ardhmen e afërt modelet do të avancohen aq shumë sa do të fillojnë të riprodhojnë jo vetëm strukturën, por edhe funksionet e trurit të njeriut.

A është e mundur të krijohet "në një epruvetë" një pjesë e indit nervor që ka vetëdije? Shkencëtarët e njohin strukturën e trurit të kafshëve në detajet më të vogla, por ende nuk e kanë kuptuar se cilat struktura "kodojnë" vetëdijen dhe si të matin praninë e saj, nëse po flasim për një tru të izoluar apo ngjashmërinë e tij.

Truri në akuarium

“Imagjinoni të zgjoheni në një dhomë të izoluar të privimit ndijor - nuk ka dritë, as zë, as stimuj të jashtëm përreth. Vetëm vetëdija juaj, e varur në boshllëk."

Kjo është fotografia e etikëve që komentojnë një deklaratë të neuroshkencëtarit të Universitetit Yale, Nenad Sestan, se ekipi i tij ishte në gjendje të mbante gjallë një tru të izoluar derri për 36 orë.

Studiuesit po mbajnë gjallë trurin e derrit jashtë raportit të trupit të një eksperimenti të suksesshëm u bë në një takim të Komitetit të Etikës të Institutit Kombëtar të Shëndetit të SHBA-së në fund të marsit të këtij viti. Duke përdorur një sistem pompë të nxehtë të quajtur BrainEx dhe një zëvendësues gjaku sintetik, studiuesit ruajtën qarkullimin e lëngjeve dhe furnizimin me oksigjen në trurin e izoluar të qindra kafshëve të vrarë në një thertore disa orë përpara eksperimentit, tha ai.

Organet mbetën të gjalla, duke gjykuar nga qëndrueshmëria e aktivitetit të miliarda neuroneve individuale. Megjithatë, shkencëtarët nuk mund të thonë nëse truri i derrit i vendosur në "akuarium" ruante shenja të vetëdijes. Mungesa e aktivitetit elektrik, i testuar në mënyrë të standardizuar duke përdorur një elektroencefalogram, e bindi Sestanin se "ky tru nuk shqetësohet për asgjë". Është e mundur që truri i izoluar i kafshës të ishte në koma, gjë që, në veçanti, mund të lehtësohej nga përbërësit e tretësirës që e lajnë atë.

Autorët nuk zbulojnë detajet e eksperimentit - ata janë duke përgatitur një botim në një revistë shkencore. Megjithatë, edhe raporti i Sestanit, i varfër në detaje, zgjoi interes të madh dhe shumë spekulime për zhvillimin e mëtejshëm të teknologjisë. Duket se ruajtja e trurit nuk është teknikisht më e vështirë sesa ruajtja e ndonjë organi tjetër për transplantim, si zemra apo veshka.

Kjo do të thotë se teorikisht është e mundur të ruhet truri i njeriut në një gjendje pak a shumë natyrale.

Truri i izoluar mund të jetë një model i mirë, për shembull, për kërkimin e barnave: në fund të fundit, kufizimet rregullatore ekzistuese vlejnë për njerëzit e gjallë dhe jo për organet individuale. Megjithatë, nga pikëpamja etike, këtu lindin shumë pyetje. Edhe çështja e vdekjes së trurit mbetet një "zonë gri" për studiuesit - pavarësisht ekzistencës së kritereve formale mjekësore, ekzistojnë një sërë kushtesh të ngjashme, nga të cilat është ende i mundur kthimi në aktivitetin normal të jetës. Çfarë mund të themi për situatën kur pohojmë se truri mbetet i gjallë. Po sikur truri, i izoluar nga trupi, të vazhdojë të ruajë disa ose të gjitha tiparet e personalitetit? Atëherë është mjaft e mundur të imagjinohet situata e përshkruar në fillim të artikullit.

Aty ku fshihet vetëdija

Përkundër faktit se deri në vitet 80 të shekullit të 20-të, midis shkencëtarëve kishte përkrahës të teorisë së dualizmit, i cili ndan shpirtin nga trupi, në kohën tonë edhe filozofët që studiojnë psikikën bien dakord se gjithçka që ne e quajmë vetëdije gjenerohet. nga truri material (historia Pyetja mund të lexohet më në detaje, për shembull, në këtë kapitull Ku është Ndërgjegjja: Historia e Çështjes dhe Perspektivat e Kërkimit nga libri i laureatit Nobel Eric Kandel "Në kërkim të kujtesës").

Për më tepër, me teknikat moderne të tilla si imazhet funksionale të rezonancës magnetike, shkencëtarët mund të gjurmojnë se cilat zona të trurit aktivizohen gjatë ushtrimeve specifike mendore. Sidoqoftë, koncepti i vetëdijes në tërësi është shumë kalimtar dhe shkencëtarët ende nuk bien dakord nëse ai është i koduar nga një grup procesesh që ndodhin në tru, ose nëse disa korrelacione nervore janë përgjegjëse për të.

Siç thotë Kandel në librin e tij, në pacientët me hemisfera cerebrale të ndara në mënyrë kirurgjikale, vetëdija ndahet në dysh, secila prej të cilave percepton një pamje të pavarur të botës.

Këto dhe raste të ngjashme nga praktika neurokirurgjike tregojnë të paktën se për ekzistencën e vetëdijes nuk kërkohet integriteti i trurit si strukturë simetrike. Disa shkencëtarë, duke përfshirë zbuluesin e strukturës së ADN-së Francis Crick, i cili në fund të jetës së tij u interesua për neuroshkencën, besojnë se prania e vetëdijes përcaktohet nga struktura specifike në tru.

Ndoshta këto janë qarqe të caktuara nervore, ose ndoshta çështja është në qelizat ndihmëse të trurit - astrocitet, të cilat te njerëzit, në krahasim me kafshët e tjera, janë mjaft të specializuara. Në një mënyrë apo tjetër, shkencëtarët kanë arritur tashmë në pikën e modelimit të strukturave individuale të trurit të njeriut in vitro ("in vitro") apo edhe in vivo (si pjesë e trurit të kafshëve).

Zgjohuni në një bioreaktor

Nuk dihet se sa shpejt do të bëhen eksperimente mbi trurin e tërë të nxjerrë nga trupi i njeriut - së pari, neuroshkencëtarët dhe etikët duhet të bien dakord për rregullat e lojës. Megjithatë, në laboratorët në enët Petri dhe bioreaktorët, rritja e kulturave tredimensionale të trurit të njeriut tashmë po rriten "mini-truri" që imitojnë strukturën e trurit "të madh" të njeriut ose pjesëve të tij specifike.

Në procesin e zhvillimit të embrionit, organet e tij formohen deri në faza të caktuara sipas një programi të natyrshëm në gjenet sipas parimit të vetëorganizimit. Sistemi nervor nuk bën përjashtim. Studiuesit zbuluan se nëse diferencimi në qeliza të indit nervor nxitet në kulturën e qelizave burimore me ndihmën e substancave të caktuara, kjo çon në rirregullime spontane në kulturën e qelizave, të ngjashme me ato që ndodhin gjatë morfogjenezës së tubit nervor embrional.

Qelizat burimore të nxitura në këtë mënyrë "sipas parazgjedhjes" në fund të fundit diferencohen në neurone të korteksit cerebral, megjithatë, duke shtuar molekula sinjalizuese nga jashtë në një pjatë Petri, për shembull, mund të merren qelizat e trurit të mesëm, striatumit ose palcës kurrizore. Doli se një mekanizëm i brendshëm i kortikogjenezës nga qelizat burimore embrionale mund të rritet në një pjatë, një korteks të vërtetë, ashtu si në tru, i përbërë nga disa shtresa neuronesh dhe që përmban astrocite ndihmëse.

Është e qartë se kulturat dydimensionale përfaqësojnë një model shumë të thjeshtuar. Parimi i vetë-organizimit të indit nervor i ndihmoi shkencëtarët të lëviznin shpejt në strukturat tredimensionale të quajtura sferoide dhe organele cerebrale. Procesi i organizimit të indeve mund të ndikohet nga ndryshimet në kushtet fillestare, të tilla si densiteti fillestar i kulturës dhe heterogjeniteti i qelizave, dhe nga faktorët ekzogjenë. Duke modifikuar aktivitetin e kaskadave të caktuara sinjalizuese, madje është e mundur të arrihet formimi i strukturave të avancuara në organoid, siç është kupa optike me epitelin e retinës, i cili reagon ndaj dritës me shumëllojshmërinë e qelizave dhe dinamikën e rrjetit në organoidet fotosensitive të trurit të njeriut.

Përdorimi i një ene speciale dhe trajtimi me faktorë të rritjes i lejoi shkencëtarët të merrnin me qëllim modelimin e zhvillimit kortikal të njeriut in vitro duke përdorur qeliza burimore pluripotente të induktuara - një organoid cerebral njerëzor që korrespondon me trurin e përparmë (hemisferat) me një korteks, zhvillimi i të cilit, duke gjykuar nga shprehja e gjeneve dhe e shënuesve, korrespondonte me tremujorin e parë të zhvillimit të fetusit …

Dhe shkencëtarët nga Stanford, të udhëhequr nga Sergiu Pasca, kanë zhvilluar neurone dhe astrocite funksionale kortikale nga qelizat burimore pluripotente njerëzore në kulturën 3D, një mënyrë për të rritur grumbuj që imitojnë trurin e përparmë pikërisht në një pjatë Petri. Madhësia e "trurit" të tillë është rreth 4 milimetra, por pas 9-10 muajsh të maturimit, neuronet kortikale dhe astrocitet në këtë strukturë korrespondojnë me nivelin e zhvillimit pas lindjes, domethënë me nivelin e zhvillimit të foshnjës menjëherë pas lindjes.

E rëndësishmja, qelizat burimore për rritjen e strukturave të tilla mund të merren nga njerëz të veçantë, për shembull, nga pacientë me sëmundje të sistemit nervor të përcaktuar gjenetikisht. Dhe përparimet në inxhinierinë gjenetike sugjerojnë që shkencëtarët së shpejti do të jenë në gjendje të vëzhgojnë in vitro zhvillimin e trurit të një Neandertali ose Denisovan.

Në vitin 2013, studiuesit nga Instituti për Bioteknologji Molekulare të Akademisë Austriake të Shkencave botuan një artikull Organoidet cerebrale modelojnë zhvillimin e trurit të njeriut dhe mikrocefalinë, duke përshkruar kultivimin e një "truri miniaturë" nga dy lloje qelizash burimore në një bioreaktor, i cili imiton struktura e të gjithë trurit të njeriut.

Zona të ndryshme të organoidit korrespondonin me pjesë të ndryshme të trurit: të pasme, të mesme dhe të përparme, dhe "truri i përparmë" madje tregoi diferencim të mëtejshëm në lobe ("hemisfera"). E rëndësishmja, në këtë mini-tru, i cili gjithashtu nuk i kalonte disa milimetra në madhësi, shkencëtarët vëzhguan shenja aktiviteti, veçanërisht luhatje në përqendrimin e kalciumit brenda neuroneve, të cilat shërbejnë si një tregues i ngacmimit të tyre (mund të lexoni në detaje rreth këtij eksperimenti këtu).

Qëllimi i shkencëtarëve nuk ishte vetëm të riprodhonin evolucionin e trurit in vitro, por edhe të studionin proceset molekulare që çojnë në mikrocefali - një anomali zhvillimore që ndodh, veçanërisht, kur një embrion infektohet me virusin Zika. Për këtë, autorët e punës kanë rritur të njëjtin mini-tru nga qelizat e pacientit.

Pavarësisht nga rezultatet mbresëlënëse, shkencëtarët ishin të bindur se organele të tilla nuk ishin në gjendje të realizonin asgjë. Së pari, truri i vërtetë përmban rreth 80 miliardë neurone, dhe organoidi i rritur përmban disa rend të madhësisë më pak. Kështu, një mini-tru thjesht nuk është fizikisht i aftë të kryejë plotësisht funksionet e një truri të vërtetë.

Së dyti, për shkak të veçorive të zhvillimit "in vitro", disa nga strukturat e tij u vendosën në mënyrë kaotike dhe formuan lidhje të pasakta, jo fiziologjike me njëra-tjetrën. Nëse mini-truri mendoi diçka, ishte e qartë diçka e pazakontë për ne.

Për të zgjidhur problemin e ndërveprimit të departamenteve, neuroshkencëtarët kanë propozuar modelimin e trurit në një nivel të ri, i cili quhet "assembloids". Për formimin e tyre, organelet së pari rriten veçmas, që korrespondojnë me pjesët individuale të trurit, dhe më pas ato bashkohen.

Kjo qasje shkencëtarët përdorën Asamblenë e sferoideve të trurit të përparmë të njeriut të integruar funksionalisht për të studiuar se si të ashtuquajturat interneurone, të cilat shfaqen pas formimit të pjesës më të madhe të neuroneve nga migrimi nga truri i përparmë ngjitur, përfshihen në korteks. Asembloidet e marra nga dy lloje të indeve nervore kanë bërë të mundur studimin e shqetësimeve në migrimin e interneuroneve te pacientët me epilepsi dhe autizëm.

Zgjohu në trupin e dikujt tjetër

Edhe me të gjitha përmirësimet, aftësitë e trurit në tub janë shumë të kufizuara nga tre kushte themelore. Së pari, ata nuk kanë një sistem vaskular që u lejon atyre të japin oksigjen dhe lëndë ushqyese në strukturat e tyre të brendshme. Për këtë arsye, madhësia e mini-trurit kufizohet nga aftësia e molekulave për t'u shpërndarë nëpër inde. Së dyti, ato nuk kanë një sistem imunitar, të përfaqësuar nga qelizat mikrogliale: normalisht këto qeliza migrojnë në sistemin nervor qendror nga jashtë. Së treti, një strukturë që rritet në tretësirë nuk ka një mikromjedis specifik të ofruar nga trupi, i cili kufizon numrin e molekulave sinjalizuese që e arrijnë atë. Zgjidhja e këtyre problemeve mund të jetë krijimi i kafshëve model me tru kimerik.

Puna e fundit Një model in vivo i organoideve funksionale dhe të vaskularizuara të trurit të njeriut nga shkencëtarët amerikanë nga Instituti Salk nën drejtimin e Fred Gage përshkruan integrimin e një organeleje cerebrale të njeriut (d.m.th., një mini-tru) në trurin e një miu.. Për ta bërë këtë, shkencëtarët fillimisht futën gjenin për një proteinë fluoreshente jeshile në ADN-në e qelizave staminale, në mënyrë që fati i indit nervor në zhvillim të mund të vëzhgohej duke përdorur mikroskopi. Organoidet u rritën nga këto qeliza për 40 ditë, të cilat më pas u implantuan në një zgavër në korteksin retrosplenal të një miu me mungesë imuniteti. Tre muaj më vonë, në 80 për qind të kafshëve, implanti zuri rrënjë.

Truri kimerik i minjve u analizua për tetë muaj. Doli se organoidi, i cili mund të dallohej lehtësisht nga lumineshenca e një proteine fluoreshente, u integrua me sukses, formoi një rrjet të degëzuar vaskular, rriti aksonet dhe formoi sinapse me proceset nervore të trurit pritës. Përveç kësaj, qelizat e mikroglisë kanë lëvizur nga pritësi në implant. Më në fund, studiuesit konfirmuan aktivitetin funksional të neuroneve - ata treguan aktivitet elektrik dhe luhatje në kalcium. Kështu, "mini-truri" i njeriut hyri plotësisht në përbërjen e trurit të miut.

Çuditërisht, integrimi i një pjese të indit nervor të njeriut nuk ndikoi në sjelljen e minjve eksperimentalë. Në një test për të mësuarit hapësinor, minjtë me tru kimerik performuan njësoj si minjtë normalë, madje kishin memorie më të keqe - studiuesit e shpjeguan këtë me faktin se për implantim ata bënë një vrimë në korteksin cerebral.

Sidoqoftë, qëllimi i kësaj pune nuk ishte të siguronte një mi inteligjent me vetëdije njerëzore, por të krijonte një model in vivo të organeleve cerebrale njerëzore të pajisura me një rrjet vaskular dhe mikromjedis për qëllime të ndryshme biomjekësore.

Një eksperiment i një lloji krejtësisht të ndryshëm u organizua nga transplantimi i trurit të përparmë nga qelizat paraardhëse gliale njerëzore, duke rritur plasticitetin sinaptik dhe të mësuarit tek minjtë e rritur nga shkencëtarët në Qendrën për Neuromjeksin Translational në Universitetin e Rochester në 2013. Siç u përmend më herët, qelizat ndihmëse të trurit të njeriut (astrocitet) janë shumë të ndryshme nga ato të kafshëve të tjera, veçanërisht të minjve. Për këtë arsye, studiuesit sugjerojnë se astrocitet luajnë një rol të rëndësishëm në zhvillimin dhe mirëmbajtjen e funksioneve të trurit të njeriut. Për të testuar se si një tru kimerik i miut do të zhvillohej me astrocitet njerëzore, shkencëtarët mbollën prekursorë të qelizave ndihmëse në trurin e embrioneve të miut.

Doli se në një tru kimerik, astrocitet e njeriut punojnë tre herë më shpejt se minjtë. Për më tepër, minjtë me tru kimerik rezultuan të ishin dukshëm më të zgjuar se zakonisht në shumë mënyra. Ata ishin më të shpejtë për të menduar, për të mësuar më mirë dhe për të lundruar në labirint. Ndoshta, minjtë kimerik nuk mendonin si njerëzit, por, ndoshta, ata mund ta ndjenin veten në një fazë të ndryshme të evolucionit.

Megjithatë, brejtësit janë larg modeleve ideale për studimin e trurit të njeriut. Fakti është se indi nervor i njeriut maturohet sipas një ore të brendshme molekulare, dhe transferimi i tij në një organizëm tjetër nuk e përshpejton këtë proces. Duke marrë parasysh që minjtë jetojnë vetëm dy vjet, dhe formimi i plotë i trurit të njeriut zgjat disa dekada, çdo proces afatgjatë në formatin e një truri kimerik nuk mund të studiohet. Ndoshta e ardhmja e neuroshkencës i përket ende trurit të njeriut në akuariume - për të zbuluar se sa etike është, shkencëtarët duhet vetëm të mësojnë se si të lexojnë mendjet, dhe teknologjia moderne duket se do të jetë në gjendje ta bëjë këtë së shpejti.