Som forskare studerar den mänskliga hjärnan isolerat från kroppen

Tidskriften Nature publiceradeEtik experimentera med mänsklig hjärnvävnad robin 17 ledande neuroforskare, där forskare diskuterade framsteg i utvecklingen av den mänskliga hjärnan modeller. Rädslan för experter är följande: sannolikt inom en snar framtid modellen blir så avancerade att de skulle spela inte bara strukturen utan också den mänskliga hjärnfunktioner.

Är det möjligt att skapa en "in vitro" en bit nervvävnad har medvetande? Forskarna vet hjärnans struktur av djur i detalj, men inte hittat hittills, vilken typ av struktur "Koda" sinnet och hur man mäter sin närvaro när det gäller den isolerade hjärnan eller liknande.

Hjärnan i akvariet

"Tänk dig att du vaknade i en isolerad flyttank - runt det finns inget ljus, inget ljud, inga externa stimuli. Endast ditt medvetande, hängande i tomrummet. "

Denna bild representerar sig experter på etik, kommenterade ett uttalande från Yale University hjärnforskare Nenad Sestao (Nenad Sestan) att hans lag hanteras inom 36 timmar för att upprätthålla den isolerade gris hjärnan i "live" tillstånd.

meddelandeForskare håller gris hjärnor liv utanför kroppen lyckat experiment gjordes vid ett möte med den etiska kommittén av National Institutes of Health i slutet av mars i år. Enligt forskare, genom att använda ett pumpsystem med uppvärmda titled BrainEx och syntetiska substitut för blod, forskare som stöds vätskecirkulationen och syretillförseln till hundratals djur isolerade hjärnan, dödas i ett slakteri i ett par timmar innan experimentera.

Döma av bevarande aktiviteten av miljarder enskilda nervceller, förblev de organ vid liv. Men forskarna kan inte säga om de bevarade fläsk hjärnor, placeras i "akvarium", tecken på medvetande. Frånvaron av elektrisk aktivitet, en beprövad standardmetod med hjälp av en elektroencefalogram, övertygade Sestao att "hjärnan antingen inte är orolig för vad som helst." Det är möjligt att ett isolerat djurhjärna i ett tillstånd av koma, som, i synnerhet, skulle kunna bidra till tvättning av komponenterna i dess lösning.

Information om författarna inte avslöja experiment - de förbereder en publikation i en vetenskaplig tidskrift. Men även i de fattiga delarna Sestao rapportera det väckte stort intresse och en hel del spekulationer om den fortsatta utvecklingen av tekniken. Uppenbarligen är bevarandet av hjärnan inte är tekniskt mycket svårare än något annat organ bevarande för transplantation, såsom hjärta eller njure.

Detta innebär att teoretiskt kan lagras på ett mer eller mindre naturliga tillstånd och den mänskliga hjärnan.

Isolerade hjärnor skulle kunna vara en bra modell, till exempel för att studera droger: eftersom de nuvarande restriktionerna gäller människor, och inte på de enskilda organen. Men ur ett etiskt perspektiv, väcker detta en hel del frågor. Även frågan om hjärndöd fortfarande en "gråzon" för forskare - trots att det finns formella medicinska kriterier, det finns ett antal liknande stater som en återgång till ett normalt liv mer möjligt. Vad kan vi säga om situationen, när vi säger att hjärnan fortfarande lever. Vad händer om isolerade från kroppen hjärnan fortsätter att hållas i sig alla eller några av tecknen på identitet? Då är det möjligt att föreställa sig den situation som beskrivs tidigare i denna artikel.

Var medvetande ligger

Trots att upp till 80-talet av XX-talet fanns bland vetenskapsmän förespråkare för teorin om dualism som skiljer själen från kroppen, i vår tid, även filosofer, ägnas åt studiet av psyket, vi är överens om att alla som vi kallar medvetande genereras av material hjärnan (historia av frågan kan läsas mer i detalj, till exempel, i detta kapitelVar är medvetandet: bakgrunden och forskningsperspektiv från boken av nobelpristagaren Eric Kandel "In Search of Memory").

Dessutom med dagens tekniker, såsom funktionell magnetisk resonanstomografi, vetenskapsmän kan se vilken typ av områden i hjärnan aktiveras under utförandet av specifika mental övningar. Ändå är begreppet medvetande som helhet alltför kortlivad, och forskarna fortfarande inte har kommit överens om det är en uppsättning processer som sker i hjärnan, eller den kodas uppfyller vissa neurala korrelat.

Den berättar i sin bok, Kandel, hos patienter med kirurgiskt separerade hjärnhalvorna medvetande, eftersom det delades i två, som var och en tar emot en oberoende syn på världen.

Dessa och liknande fall av neurokirurgisk praxis indikerar åtminstone det faktum att förekomsten av medvetandet av hjärn integritet som en symmetrisk struktur inte krävs. Vissa forskare, inklusive upptäck av strukturen av DNA, Francis Crick, som vid slutet av liv blev intresserade av neuroscience, tror man att närvaron av medvetandet bestäms av de specifika strukturer i hjärnan.

Kanske är det viss neural kedja, och kan vara fallet stöd av hjärnceller - astrocyterAtt en person har, jämfört med andra djur, det är ganska specialiserad. Hur som helst, innan modelleringen av individuella mänskliga hjärnstrukturer in vitro ( "In vitro"), eller till och med in vivo (Som en del av animaliskt hjärnan) forskare har redan nått.

Vakna upp i bioreaktorn

Det är inte känt hur snart det gäller experiment på hela hjärnor utvinns ur människokroppen - första specialister inom neurovetenskap och etik måste komma överens om spelreglerna. Men i laboratorier i petriskålar och bioreaktorer redan odlasÖkningen av tredimensionella mänskliga hjärnan kulturer "Mini-hjärna" som efterliknar strukturen i "stora" den mänskliga hjärnan eller en specifik avdelning.

Under fosterutvecklingen av dess organ bildas enligt vissa stadier av vissa gener som är inbäddade i programmet enligt principen om självorganisering. Är inget undantag och nervsystemet. Forskarna fann att om en kultur av stamceller med användning av vissa ämnen för att inducera differentiering till nervceller vävnad, detta leder till spontana omlagringar i cellkultur, liknande dem som uppträder under neuralröret morfogenes embryo.

"Standard" induceras på detta sätt stamceller differentierar att hamna i cortex neuroner hjärnan, men genom att lägga till externa signaleringsmolekyler i en petriskål, kan framställas, till exempel, celler mellanhjärnan, striatum eller ryggmärgen. Det visade sig att i koppen kan odlasEn inneboende mekanism för corticogenesis från embryonala stamceller denna bark, liksom i hjärnan, som består av flera lager av neuroner och astrocyter innehållande hjälpsubstanser.

Det är tydligt att de tvådimensionella kulturer mycket förenklad modell. Principen för självorganisering av nervvävnad har hjälpt forskare att snabbt hoppa till tredimensionella strukturer som kallas organeller sfäroider och cerebral. På processen för organisation av vävnaden kan påverkas av förändringar i de ursprungliga villkoren, såsom den initiala densiteten av kulturen och heterogeniteten av cellerna, och exogena faktorer. Modulering av aktiviteten hos vissa signalvägar, kan du även uppnå bildandet av organell avancerade konstruktioner såsom den optiska koppen med retinal epitel, lyhördCell mångfald och nätverks dynamik i känsliga mänskliga hjärnan organoids för ljus.

Med hjälp av en speciell behandlingskärlet och tillväxtfaktorer tillåtna forskare får riktningsModellering mänsklig kortikal utveckling in vitro med användning av inducerade pluripotenta stamceller human cerebral organoida motsvarande framhjärnan (hemisfärer) bark, vars utveckling, enligt uttrycket av gener och markörer motsvarar den första trimestern fosterutveckling.

En forskare från Stanford ledde Serghiou Pask (Sergiu Pasca) utvecklatFunktionella kortikala neuroner och astrocyter från humana pluripotenta stamceller i 3D kultur sätt att växa klumpar som simulerar framhjärnan direkt i petriskål. Storleken av sådana "hjärnor" av cirka 4 millimeter, men efter 9-10 månaders mogning kortikala neuroner och astrocyter motsvarar i denna strukturHuman Astrocyte Mognad fångas i 3D Cerebral kortikala Sfäroider härledda från pluripotenta stamceller postnatal utvecklingsnivå, det vill säga utvecklingsnivå barnet direkt efter födseln.

Viktigare, kan stamcellerna att växa dessa strukturer tas vid specifika individer, såsom patienter med genetiskt bestämda sjukdomar i nervsystemet. En genteknik framgång tyder på att forskarna snart kommer att kunna observera in vitro utvecklingen av Neanderthal hjärnan eller denisovtsa.

År 2013 forskare från Institutet för molekylär bioteknik i den österrikiska Academy of Sciences publicerade ett papperCerebral organoids modell mänsklig hjärnans utveckling och mikrocefaliBeskriver odling i en bioreaktor av de två typer av stamceller, "hjärnan i miniatyr", imiterar strukturen för den mänskliga hjärnan som helhet.

Organell olika zoner motsvarar olika delar av hjärnan: ryggen, mellersta och främre och "framhjärnan" även visade en ytterligare differentiering till aktier ( "halvklotet"). Vad som är viktigt i denna mini-hjärna, är också något mer vars belopp än några millimeter, observerade forskarna tecken på aktivitet, speciellt fluktuationer i kalciumkoncentrationen inom neuroner, vilka är indikativa för deras magnetisering (för detaljer av detta experiment läs- kan här).

Målet för forskarna har varit att inte bara reproducera utvecklingen av hjärnan in vitroMen också för att studera de molekylära processer som leder till mikrocefali - utvecklings avvikelser, som förekommer i synnerhet under infektion av embryot Zika virus. För detta arbete författarna höjde samma mini-hjärna av patientens celler.

Trots de imponerande resultat, forskarna var övertygade om att dessa organeller inte kan inse något. För det första, i detta hjärnan innehåller cirka 80 miljarder nervceller och deras organ ökat med storleksordningar mindre. Således mini-hjärnan helt enkelt inte fysiskt kunna använda utföra funktioner i hjärnan.

För det andra, på grund av den typ av "in vitro" en del av sina strukturer ligger ganska kaotisk och oregelbundet formade, icke-fysiologiska kontakter med varandra. Om mini-hjärna något och tyckte att det var helt klart något ovanligt för oss.

För att lösa problemet med samverkan mellan avdelningar, har neuroforskare föreslagit modell hjärna på en ny nivå, som fick namnet "assembloidy". För deras bildning först odlades separat organeller motsvarande separata delar av hjärnan, och sedan de är fuserade.

Detta tillvägagångssätt har forskare använtMontering av funktionellt integrerade mänskliga framhjärnan sfäroider att studera hur jordskorpan byggde så kallade intern, som visas efter bildandet av huvuddelen av nervceller genom migration från angränsande framhjärnan. Assembloidy härledd från två typer av nervvävnad, som tillåts att undersöka kränkningar av interneuronen migration i patienter med epilepsi och autism.

Vakna upp i någon annans kropp

Även med alla de förbättringar möjliga "brain in vitro" starkt begränsad av tre fundamentala förhållanden. För det första har de inte en kärlsystemet som möjliggör leverans av syre och näringsämnen till interna strukturer. Av denna anledning, är storleken på mini-hjärnor begränsat till diffusion av molekyler genom vävnaden. För det andra har de ingen immunsystemet, som tillhandahålls av mikrogliaceller: normal, dessa celler migrerar in i det centrala nervsystemet från utsidan. Tredje, i struktur, ökar i lösningen, det finns ingen särskild mikromiljö som tillhandahålls av kroppen, vilket begränsar antalet signalmolekyler tränger in. Lösningen på dessa problem skulle vara att skapa en chimär djurmodell hjärnan.

Under de senaste arbeteen in vivo modell av funktionella och vaskulariserade humana hjärn organoids Amerikanska forskare från Salk Institute leds av Fred Gage (Fred Gage) beskriver integreringen av den mänskliga hjärnorganell (dvs. mini-hjärna) i mushjärna. För att göra detta, forskarna först inbyggd i DNA hos stamcellsgenen grönfluorescerande protein till ödet av vävnaden utveckla nervsystemet kunde observeras med ett mikroskop. Från dessa celler odlades under 40 dagar organeller som efter implanteras i hålrummet i retrosplenial cortex immunodeficient mus. Efter tre månader, 80 procent av djuren fångas på implantatet.

Chimära möss hjärnor analyserades i åtta månader. Man fann att organeller, som lätt kan särskiljas genom skenet av ett fluorescerande protein, framgångsrikt integrerade, bildade ett omfattande vaskulatur, växte axonerna och formade synapser med nervprocesser mästarens hjärna. Dessutom från värden in i implantatet flyttas mikrogliaceller. Slutligen forskarna bekräftade den funktionella aktiviteten av nervceller - de visade elektriska aktiviteten och kalciumförändringar. Således mänskliga "mini-brain" blev helt del av musen hjärnan.

Överraskande, är beteendet hos den experimentella möss integrering av den humana nervvävnadsstycket inte påverkas. I testet för spatial inlärning chimära mus hjärnan visade samma resultat som det i normala möss, och skilde sig ännu värre minne - forskarna förklarade detta genom det faktum att de har gjort för implantation av ett hål i barken hemisfärerna.

Ändå var syftet med detta arbete får inte smart mus med mänskligt medvetande och skapandet av in vivo modell av cerebrala organeller personen är utrustad med ett nätverk av kärl och mikromiljö för olika biomedicinska tillämpningar.

Experimentet var en helt annan typ av putHjärnan inympning av mänskliga gliaceller progenitorceller ökar synaptisk plasticitet och inlärning hos vuxna möss Forskare från Centrum för Translationell neyromeditsiny University of Rochester 2013. Såsom tidigare nämnts, hjälpmärgceller (astrocyter) Mänskliga skiljer sig från andra djurceller, i synnerhet möss. Av denna anledning forskarna tyder på att astrocyter spelar en viktig roll i utvecklingen och underhållet av den mänskliga hjärnan fungerar. För att testa hur man kan utveckla en chimär mus med humana hjärn astrocyter har forskare placerade föregångare tillbehör celler i hjärnan hos musembryon.

Det visade sig att i de chimära humana hjärn astrocyter arbetar tre gånger snabbare än musen. Dessutom chimära möss med hjärnan var mycket smartare än genomsnittet i många avseenden. De tror snabbt, bättre utbildade och fokuserade i labyrinten. Förmodligen chimära möss inte tänka som människor, men skulle ha kunnat känna nästa steg i evolutionen.

Men för att studera den mänskliga hjärnan gnagare långt från den ideala modellen. Det faktum att vävnaden det humana nervsystemet mognar enligt vissa interna molekylära klockan, och överföra den in i en annan organism inte påskynda processen. Med tanke på att mössen levde för bara två år, och den totala bildningen av den mänskliga hjärnan tar ett par decennier, några långsiktiga processer i form av chimär hjärnstudie omöjligt. Kanske framtiden för neurovetenskap fortfarande bortom mänskliga hjärnor i akvarier - ta reda på hur Det är oetiskt, forskare behöver bara lära sig att läsa tankar, och modern teknik, tycks det, snart kommer att göra det möjligt göra.

se även

• 8 tyckte experiment som får dig att tänka →
• 4 frågor till hjälp starta en intressant konversation →
• Hur att avslöja mysterierna i hjärnan och lära sig att hantera det: 15 hjälp böcker →