Բովանդակություն:

Ինչպես են հետազոտողները ուսումնասիրում մարդու ուղեղը մարմնից առանձին
Ինչպես են հետազոտողները ուսումնասիրում մարդու ուղեղը մարմնից առանձին
Anonim

Ինչպես են գիտնականները ստեղծում մարդու ուղեղի մոդելներ և ինչպիսի էթիկական խնդիրներ են առաջացնում նման հետազոտությունները:

Ինչպես են հետազոտողները ուսումնասիրում մարդու ուղեղը մարմնից առանձին
Ինչպես են հետազոտողները ուսումնասիրում մարդու ուղեղը մարմնից առանձին

Nature ամսագիրը հրապարակել է «Մարդկային ուղեղի հյուսվածքի հետ փորձարկումների էթիկան»՝ աշխարհի 17 առաջատար նյարդաբանների հավաքական նամակը, որում գիտնականները քննարկել են մարդու ուղեղի մոդելների զարգացման առաջընթացը: Մասնագետների մտավախությունները հետևյալն են՝ հավանաբար մոտ ապագայում մոդելներն այնքան կզարգանան, որ կսկսեն վերարտադրել ոչ միայն կառուցվածքը, այլև մարդկային ուղեղի գործառույթները։

Հնարավո՞ր է «փորձանոթի մեջ» նյարդային հյուսվածքի մի կտոր ստեղծել, որն ունի գիտակցություն։ Գիտնականները ամենափոքր մանրամասնությամբ գիտեն կենդանիների ուղեղի կառուցվածքը, բայց դեռ չեն պարզել, թե որ կառույցներն են «կոդավորում» գիտակցությունը և ինչպես չափել դրա առկայությունը, եթե խոսքը մեկուսացված ուղեղի կամ դրա նմանության մասին է:

Ուղեղը ակվարիումում

«Պատկերացրեք, որ արթնանում եք մեկուսացված զգայական զրկանքների պալատում. շրջակայքում չկա լույս, ոչ ձայն, ոչ արտաքին խթաններ: Միայն ձեր գիտակցությունը, որը կախված է դատարկության մեջ »:

Սա բարոյագետների պատկերն է՝ մեկնաբանելով Յեյլի համալսարանի նյարդաբան Նենադ Սեստանի այն հայտարարությունը, որ իր թիմը կարողացել է 36 ժամ կենդանի պահել խոզի մեկուսացված ուղեղը:

Հետազոտողները կենդանի են պահում խոզի ուղեղը մարմնից դուրս: Հաջող փորձի մասին զեկույցը կազմվել է այս տարվա մարտի վերջին ԱՄՆ Առողջապահության ազգային ինստիտուտի էթիկայի հանձնաժողովի հանդիպման ժամանակ: Օգտագործելով BrainEx կոչվող ջեռուցվող պոմպային համակարգը և սինթետիկ արյան փոխարինիչը՝ հետազոտողները պահպանել են հեղուկի շրջանառությունը և թթվածնի մատակարարումը հարյուրավոր կենդանիների մեկուսացված ուղեղներին, որոնք սպանվել են սպանդանոցում փորձարկումից մի քանի ժամ առաջ, ասաց նա:

Օրգանները մնացին կենդանի՝ դատելով միլիարդավոր առանձին նեյրոնների գործունեության կայունությունից։ Այնուամենայնիվ, գիտնականները չեն կարող ասել, թե արդյոք «ակվարիումում» տեղադրված խոզի ուղեղը պահպանել է գիտակցության նշանները։ Էլեկտրական ակտիվության բացակայությունը, որը ստանդարտացված եղանակով փորձարկվել է էլեկտրաէնցեֆալոգրամայի միջոցով, համոզել է Սեստանին, որ «այս ուղեղը ոչնչից չի անհանգստանում»։ Հնարավոր է, որ կենդանու մեկուսացված ուղեղը կոմայի մեջ է եղել, ինչին, մասնավորապես, կարող էին նպաստել այն լվացող լուծույթի բաղադրիչները։

Հեղինակները փորձի մանրամասները չեն հայտնում՝ նրանք հրապարակում են պատրաստում գիտական ամսագրում։ Այդուհանդերձ, նույնիսկ Սեսթանի՝ մանրամասներով աղքատ զեկույցը մեծ հետաքրքրություն և բազմաթիվ շահարկումներ առաջացրեց տեխնոլոգիայի հետագա զարգացման վերաբերյալ։ Թվում է, որ ուղեղի պահպանումը տեխնիկապես շատ ավելի դժվար չէ, քան փոխպատվաստման համար որևէ այլ օրգան պահպանելը, օրինակ՝ սիրտը կամ երիկամը:

Սա նշանակում է, որ տեսականորեն հնարավոր է պահպանել մարդու ուղեղը քիչ թե շատ բնական վիճակում։

Մեկուսացված ուղեղը կարող է լավ մոդել լինել, օրինակ, դեղերի հետազոտման համար. ի վերջո, գոյություն ունեցող կարգավորող սահմանափակումները վերաբերում են կենդանի մարդկանց, այլ ոչ թե առանձին օրգաններին: Այնուամենայնիվ, էթիկական տեսանկյունից այստեղ բազմաթիվ հարցեր են ծագում։ Նույնիսկ ուղեղի մահվան հարցը մնում է «մոխրագույն գոտի» հետազոտողների համար. չնայած պաշտոնական բժշկական չափանիշների առկայությանը, կան մի շարք նմանատիպ պայմաններ, որոնցից հնարավոր է վերադառնալ նորմալ կենսագործունեության: Ի՞նչ կարող ենք ասել իրավիճակի մասին, երբ պնդում ենք, որ ուղեղը կենդանի է մնում։ Իսկ եթե ուղեղը, մեկուսացված մարմնից, շարունակի պահպանել անհատականության որոշ կամ բոլոր գծերը: Հետո միանգամայն հնարավոր է պատկերացնել հոդվածի սկզբում նկարագրված իրավիճակը։

Պատկեր
Պատկեր

Այնտեղ, որտեղ թաքնված է գիտակցությունը

Չնայած այն հանգամանքին, որ մինչև 20-րդ դարի 80-ական թվականները գիտնականների մեջ կային հոգին մարմնից բաժանող դուալիզմի տեսության կողմնակիցներ, մեր ժամանակներում նույնիսկ հոգեկանը ուսումնասիրող փիլիսոփաները համաձայն են, որ այն ամենը, ինչ մենք անվանում ենք գիտակցություն, առաջանում է: նյութական ուղեղի կողմից (պատմություն Հարցը կարելի է ավելի մանրամասն կարդալ, օրինակ, այս գլխում, որտեղ է գիտակցությունը. Հարցի պատմությունը և որոնման հեռանկարները Նոբելյան մրցանակակիր Էրիկ Կանդելի «Հիշողության որոնումներում» գրքից):

Ավելին, ժամանակակից մեթոդներով, ինչպիսիք են ֆունկցիոնալ մագնիսական ռեզոնանսային պատկերումը, գիտնականները կարող են հետևել, թե ուղեղի որ հատվածներն են ակտիվանում հատուկ մտավոր վարժությունների ժամանակ: Այնուամենայնիվ, գիտակցության հայեցակարգը որպես ամբողջություն չափազանց վաղանցիկ է, և գիտնականները դեռևս համաձայն չեն այն հարցում, թե արդյոք այն կոդավորված է ուղեղում տեղի ունեցող գործընթացների մի շարքով, թե արդյոք դրա համար պատասխանատու են որոշ նյարդային փոխկապակցվածներ:

Ինչպես Կանդելն է ասում իր գրքում, վիրահատական ճանապարհով բաժանված ուղեղային կիսագնդերով հիվանդների մոտ գիտակցությունը բաժանվում է երկու մասի, որոնցից յուրաքանչյուրն ընկալում է աշխարհի անկախ պատկերը։

Այս և նմանատիպ դեպքերը նյարդավիրաբուժական պրակտիկայից վկայում են առնվազն այն մասին, որ գիտակցության գոյության համար ուղեղի ամբողջականությունը որպես սիմետրիկ կառուցվածք չի պահանջվում։ Որոշ գիտնականներ, այդ թվում՝ ԴՆԹ-ի կառուցվածքի հայտնաբերող Ֆրենսիս Կրիկը, ով իր կյանքի վերջում սկսեց հետաքրքրվել նյարդաբանությամբ, կարծում են, որ գիտակցության առկայությունը որոշվում է ուղեղի հատուկ կառուցվածքներով։

Միգուցե դրանք որոշակի նյարդային շղթաներ են, կամ գուցե խոսքը գլխուղեղի օժանդակ բջիջների մեջ է` աստրոցիտները, որոնք մարդկանց մոտ, համեմատած այլ կենդանիների, բավականին բարձր մասնագիտացված են: Այսպես թե այնպես, գիտնականներն արդեն հասել են մարդու ուղեղի առանձին կառուցվածքների մոդելավորմանը in vitro («in vitro») կամ նույնիսկ in vivo (որպես կենդանիների ուղեղի մաս):

Արթնացեք բիոռեակտորում

Հայտնի չէ, թե որքան շուտով փորձերը կսկսվեն մարդու մարմնից արդյունահանված ամբողջ ուղեղի վրա. նախ՝ նյարդաբաններն ու բարոյագետները պետք է համաձայնեցնեն խաղի կանոնները: Այնուամենայնիվ, Պետրիի ափսեների և կենսառեակտորների լաբորատորիաներում մարդու ուղեղի եռաչափ մշակույթների աճը արդեն իսկ աճում է «մինի ուղեղներ», որոնք նմանակում են մարդու «մեծ» ուղեղի կառուցվածքը կամ դրա հատուկ մասերը:

Պատկեր
Պատկեր

Սաղմի զարգացման գործընթացում նրա օրգանները ձևավորվում են մինչև որոշակի փուլեր՝ գեներին բնորոշ ինչ-որ ծրագրի համաձայն՝ ինքնակազմակերպման սկզբունքով։ Նյարդային համակարգը բացառություն չէ: Հետազոտողները պարզել են, որ եթե ցողունային բջիջների կուլտուրայում որոշակի նյութերի օգնությամբ տարբերվում են նյարդային հյուսվածքի բջիջները, դա հանգեցնում է բջիջների կուլտուրայի ինքնաբուխ վերադասավորումների, որոնք նման են սաղմնային նյարդային խողովակի մորֆոգենեզի ժամանակ:

Այս ձևով առաջացած ցողունային բջիջները, ի վերջո, տարբերվում են ուղեղի ծառի կեղևի նեյրոնների, սակայն դրսից ազդանշանային մոլեկուլներ ավելացնելով Պետրիի ճաշատեսակին, օրինակ՝ միջին ուղեղի, ստրիատի կամ ողնուղեղի բջիջները: Պարզվեց, որ սաղմնային ցողունային բջիջներից կորտիկոգենեզի ներքին մեխանիզմը կարելի է աճեցնել ճաշատեսակի մեջ՝ իսկական կեղևում, ինչպես ուղեղում, որը բաղկացած է նեյրոնների մի քանի շերտերից և պարունակում է օժանդակ աստղոցիտներ։

Հասկանալի է, որ երկչափ մշակույթները ներկայացնում են խիստ պարզեցված մոդել: Նյարդային հյուսվածքի ինքնակազմակերպման սկզբունքն օգնեց գիտնականներին արագ անցնել եռաչափ կառուցվածքների, որոնք կոչվում են գնդիկներ և ուղեղային օրգանելներ: Հյուսվածքների կազմակերպման գործընթացի վրա կարող են ազդել սկզբնական պայմանների փոփոխությունները, ինչպիսիք են կուլտուրայի սկզբնական խտությունը և բջիջների տարասեռությունը, ինչպես նաև էկզոգեն գործոնները: Որոշակի ազդանշանային կասկադների ակտիվությունը մոդուլավորելով՝ հնարավոր է նույնիսկ հասնել օրգանոիդում առաջադեմ կառուցվածքների ձևավորմանը, ինչպիսին է օպտիկական գավաթը ցանցաթաղանթի էպիթելիով, որը արձագանքում է լույսի նկատմամբ բջիջների բազմազանությանը և ցանցային դինամիկային մարդու ուղեղի լուսազգայուն օրգանոիդներում:

Պատկեր
Պատկեր

Հատուկ անոթի օգտագործումը և աճի գործոններով բուժումը գիտնականներին թույլ տվեցին նպատակաուղղված ձեռք բերել մարդու կեղևի զարգացման մոդելավորում in vitro՝ օգտագործելով առաջացած պլյուրիպոտենտ ցողունային բջիջները՝ մարդու ուղեղային օրգանոիդը, որը համապատասխանում է նախաուղեղին (կիսագնդերին)՝ կեղևով, որի զարգացումը, դատելով ըստ. գեների և մարկերների արտահայտությունը համապատասխանում էր պտղի զարգացման առաջին եռամսյակին…

Իսկ Սթենֆորդի գիտնականները՝ Սերգիու Պասկայի գլխավորությամբ, ստեղծել են ֆունկցիոնալ կեղևային նեյրոններ և աստրոցիտներ մարդու պլյուրիպոտենտ ցողունային բջիջներից՝ 3D կուլտուրայի մեջ, միջոց՝ առաջնուղեղը նմանակող կուտակումներ աճեցնելու համար, որոնք նմանակում են նախաուղեղը հենց Պետրի ափսեի մեջ: Նման «ուղեղների» չափը մոտ 4 միլիմետր է, սակայն 9-10 ամիս հասունանալուց հետո այս կառուցվածքի կեղևային նեյրոններն ու աստղոցիտները համապատասխանում են զարգացման հետծննդյան մակարդակին, այսինքն՝ երեխայի զարգացման մակարդակին անմիջապես ծնվելուց հետո։

Կարևոր է, որ նման կառույցներ աճեցնելու համար ցողունային բջիջները կարելի է վերցնել կոնկրետ մարդկանցից, օրինակ՝ նյարդային համակարգի գենետիկորեն որոշված հիվանդություններով հիվանդներից: Իսկ գենետիկ ինժեներիայի առաջընթացը հուշում է, որ գիտնականները շուտով կկարողանան in vitro դիտարկել նեանդերթալի կամ դենիսովացու ուղեղի զարգացումը:

2013 թվականին Ավստրիայի գիտությունների ակադեմիայի մոլեկուլային կենսատեխնոլոգիայի ինստիտուտի հետազոտողները հրապարակեցին հոդված «Ուղեղային օրգանոիդները մոդելավորում են մարդու ուղեղի զարգացումը և միկրոցեֆալիան՝ նկարագրելով «մանր ուղեղի» մշակումը երկու տեսակի ցողունային բջիջներից բիոռեակտորում, որը նմանակում է ամբողջ մարդու ուղեղի կառուցվածքը.

Օրգանոիդի տարբեր գոտիները համապատասխանում էին ուղեղի տարբեր մասերին՝ հետին, միջին և առջևի, իսկ «առաջին ուղեղը» նույնիսկ ցույց տվեց հետագա տարբերակումը բլթերի («կիսագնդեր»): Կարևոր է, որ այս մինի ուղեղում, որը նույնպես չի գերազանցում մի քանի միլիմետր չափը, գիտնականները նկատել են ակտիվության նշաններ, մասնավորապես նեյրոնների ներսում կալցիումի կոնցենտրացիայի տատանումներ, որոնք ծառայում են որպես դրանց գրգռման ցուցիչ (մանրամասն կարող եք կարդալ. այս փորձի մասին՝ այստեղ):

Գիտնականների նպատակն էր ոչ միայն վերարտադրել ուղեղի էվոլյուցիան in vitro, այլ նաև ուսումնասիրել միկրոցեֆալիային տանող մոլեկուլային գործընթացները՝ զարգացման աննորմալություն, որը տեղի է ունենում, մասնավորապես, երբ սաղմը վարակվում է Զիկա վիրուսով: Դրա համար աշխատանքի հեղինակները հիվանդի բջիջներից աճեցրել են նույն մինի ուղեղը։

Պատկեր
Պատկեր

Չնայած տպավորիչ արդյունքներին, գիտնականները համոզված էին, որ նման օրգանելները ունակ չեն որևէ բան գիտակցելու։ Նախ, իրական ուղեղը պարունակում է մոտ 80 միլիարդ նեյրոն, իսկ աճեցված օրգանոիդը պարունակում է մի քանի կարգով պակաս մեծության: Այսպիսով, մինի ուղեղը պարզապես ֆիզիկապես ի վիճակի չէ ամբողջությամբ կատարել իրական ուղեղի գործառույթները:

Երկրորդ, ելնելով «in vitro» զարգացման առանձնահատկություններից, նրա որոշ կառույցներ տեղակայվել են բավականին քաոսային վիճակում և ձևավորվել են միմյանց հետ ոչ ճիշտ, ոչ ֆիզիոլոգիական կապեր։ Եթե մինի ուղեղը ինչ-որ բան մտածեց, դա մեզ համար ակնհայտորեն անսովոր բան էր:

Բաժանմունքների փոխազդեցության խնդիրը լուծելու համար նյարդաբաններն առաջարկել են ուղեղը մոդելավորել նոր մակարդակով, որը կոչվում է «ասամբլեոիդներ»։ Նրանց առաջացման համար օրգանելները սկզբում աճեցնում են առանձին՝ ուղեղի առանձին մասերին համապատասխան, այնուհետև դրանք միաձուլվում են։

Այս մոտեցմամբ գիտնականներն օգտագործեցին մարդու առջևի ուղեղի ֆունկցիոնալ ինտեգրված սֆերոիդների ժողովը՝ ուսումնասիրելու, թե ինչպես են այսպես կոչված միջնեյրոնները, որոնք առաջանում են հարակից առաջնային ուղեղից ներգաղթով նեյրոնների մեծ մասի ձևավորումից հետո, ներառվում են կեղևի մեջ: Երկու տեսակի նյարդային հյուսվածքից ստացված ասեմբլոիդները հնարավորություն են տվել ուսումնասիրել էպիլեպսիայով և աուտիզմով հիվանդների մոտ միջնեյրոնների միգրացիայի խանգարումները:

Արթնացեք ուրիշի մարմնում

Նույնիսկ բոլոր բարելավումներով, ուղեղի մեջ-խողովակի հնարավորությունները խիստ սահմանափակված են երեք հիմնարար պայմաններով: Նախ, նրանք չունեն անոթային համակարգ, որը թույլ է տալիս թթվածին և սննդանյութեր հասցնել իրենց ներքին կառուցվածքներին: Այդ պատճառով մինի-ուղեղների չափերը սահմանափակվում են մոլեկուլների՝ հյուսվածքների միջով ցրվելու ունակությամբ: Երկրորդ, նրանք չունեն իմունային համակարգ, որը ներկայացված է միկրոգլիալ բջիջներով. սովորաբար այդ բջիջները գաղթում են կենտրոնական նյարդային համակարգ դրսից: Երրորդ, լուծույթում աճող կառուցվածքը չունի մարմնի կողմից տրամադրվող հատուկ միկրոմիջավայր, որը սահմանափակում է դրան հասնող ազդանշանային մոլեկուլների քանակը: Այս խնդիրների լուծումը կարող է լինել քիմերային ուղեղով մոդելային կենդանիների ստեղծումը:

Ֆրեդ Գեյջի ղեկավարությամբ Սալկի ինստիտուտի ամերիկացի գիտնականների կողմից իրականացված An in vivo մոդելը մարդու ուղեղի ֆունկցիոնալ և անոթային օրգանոիդների վերջին աշխատանքը նկարագրում է մարդու ուղեղային օրգանելի (այսինքն՝ մինի-ուղեղի) ինտեգրումը մկան ուղեղում։. Դա անելու համար գիտնականները նախ ցողունային բջիջների ԴՆԹ-ի մեջ մտցրեցին կանաչ լյումինեսցենտ սպիտակուցի գենը, որպեսզի միկրոսկոպիայի միջոցով հնարավոր լիներ դիտարկել զարգացող նյարդային հյուսվածքի ճակատագիրը:Այս բջիջներից օրգանոիդներ են աճեցվել 40 օրվա ընթացքում, որոնք այնուհետև տեղադրվել են իմունային անբավարարություն ունեցող մկան հետանցքային կեղևի խոռոչում: Երեք ամիս անց կենդանիների 80 տոկոսի մոտ իմպլանտը արմատավորվեց։

Մկների քիմերային ուղեղը ութ ամիս վերլուծվել է: Պարզվեց, որ օրգանոիդը, որը հեշտությամբ կարելի էր տարբերել լյումինեսցենտ սպիտակուցի լուսարձակմամբ, հաջողությամբ ինտեգրվեց, ձևավորեց ճյուղավորված անոթային ցանց, աճեց աքսոններ և սինապսներ ձևավորեց հյուրընկալող ուղեղի նյարդային պրոցեսներով: Բացի այդ, միկրոգլիայի բջիջները հյուրընկալողից տեղափոխվել են իմպլանտ: Ի վերջո, հետազոտողները հաստատել են նեյրոնների ֆունկցիոնալ ակտիվությունը՝ նրանք ցույց են տվել էլեկտրական ակտիվություն և կալցիումի տատանումներ: Այսպիսով, մարդու «մինի ուղեղը» ամբողջությամբ մտավ մկան ուղեղի կազմի մեջ։

Պատկեր
Պատկեր

Զարմանալիորեն, մարդկային նյարդային հյուսվածքի մի կտորի ինտեգրումը չի ազդել փորձարարական մկների վարքագծի վրա: Տարածական ուսուցման թեստի ժամանակ քիմերային ուղեղով մկները կատարեցին նույնը, ինչ սովորական մկները, և նույնիսկ ավելի վատ հիշողություն ունեին. հետազոտողները դա բացատրեցին նրանով, որ իմպլանտացիայի համար նրանք անցք են բացել ուղեղի ծառի կեղևում:

Այնուամենայնիվ, այս աշխատանքի նպատակը ոչ թե մարդկային գիտակցությամբ խելացի մկնիկ ստանալն էր, այլ մարդկային ուղեղային օրգանելների in vivo մոդելի ստեղծումը, որը հագեցած է անոթային ցանցով և միկրոմիջավայրով՝ տարբեր կենսաբժշկական նպատակներով։

2013 թվականին Ռոչեսթերի համալսարանի Թարգմանական նյարդաբանության կենտրոնի գիտնականները կատարել են բոլորովին այլ տեսակի փորձ՝ մարդու գլիալ նախածննդային բջիջների կողմից առաջնային ուղեղի փոխպատվաստման միջոցով, ինչը մեծացնում է սինապտիկ պլաստիկությունը և ուսումնառությունը մեծահասակ մկների մոտ: Ինչպես արդեն նշվեց, մարդու ուղեղի լրացուցիչ բջիջները (աստրոցիտները) շատ տարբեր են այլ կենդանիների, մասնավորապես մկների բջիջներից: Այդ իսկ պատճառով հետազոտողները ենթադրում են, որ աստղածինները կարևոր դեր են խաղում մարդու ուղեղի գործառույթների զարգացման և պահպանման գործում: Փորձելու համար, թե ինչպես կզարգանա մկան քիմերային ուղեղը մարդու աստղագոտիների հետ, գիտնականները օգնական բջիջների պրեկուրսորներ են տնկել մկան սաղմերի ուղեղում:

Պարզվել է, որ քիմերային ուղեղում մարդու աստղածիններն աշխատում են երեք անգամ ավելի արագ, քան մկները։ Ավելին, քիմերային ուղեղով մկները շատ առումներով սովորականից զգալիորեն ավելի խելացի էին։ Նրանք ավելի արագ էին մտածում, ավելի լավ սովորում և նավարկում լաբիրինթոսում: Հավանաբար, քիմերային մկները չէին մտածում մարդկանց նման, բայց, հավանաբար, նրանք կարող էին իրենց զգալ էվոլյուցիայի այլ փուլում։

Այնուամենայնիվ, կրծողները հեռու են մարդու ուղեղն ուսումնասիրելու իդեալական մոդելներից: Բանն այն է, որ մարդու նյարդային հյուսվածքը հասունանում է ինչ-որ ներքին մոլեկուլային ժամացույցի համաձայն, և դրա տեղափոխումն այլ օրգանիզմ չի արագացնում այդ գործընթացը։ Հաշվի առնելով, որ մկներն ապրում են ընդամենը երկու տարի, իսկ մարդու ուղեղի ամբողջական ձևավորումը տևում է մի քանի տասնամյակ, քիմերային ուղեղի ձևաչափով որևէ երկարաժամկետ գործընթաց չի կարող ուսումնասիրվել: Թերևս նեյրոգիտության ապագան դեռևս պատկանում է ակվարիումներում գտնվող մարդու ուղեղներին. պարզելու համար, թե որքանով է դա բարոյական, գիտնականները պարզապես պետք է սովորեն, թե ինչպես կարդալ մտքերը, և ժամանակակից տեխնոլոգիաները, կարծես, շուտով կկարողանան դա անել:

Խորհուրդ ենք տալիս: