Araştırmacılar insan beynini vücuttan ayrı olarak nasıl inceliyor?

2024 Yazar: Malcolm Clapton | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-17 04:13

Bilim adamlarının insan beyninin modellerini nasıl oluşturdukları ve bu tür araştırmaların hangi etik sorunları ortaya çıkardığı.

Nature dergisi, bilim insanlarının insan beyni modellerinin geliştirilmesindeki ilerlemeyi tartıştığı, dünyanın önde gelen 17 nörobilimcisinin ortak bir mektubu olan İnsan beyni dokusuyla deney yapma etiği'ni yayınladı. Uzmanların korkuları şu şekilde: Muhtemelen yakın gelecekte modeller o kadar gelişmiş olacak ki, insan beyninin sadece yapısını değil, işlevlerini de yeniden üretmeye başlayacaklar.

"Tüp içinde" bilinci olan bir sinir dokusu parçası yaratmak mümkün müdür? Bilim adamları, hayvanların beyninin yapısını en küçük ayrıntısına kadar biliyorlar, ancak hala hangi yapıların bilinci "kodladığını" ve izole bir beyinden veya benzerliğinden bahsediyorsak varlığının nasıl ölçüleceğini çözemediler.

Akvaryumdaki Beyin

“İzole bir duyusal yoksunluk odasında uyandığınızı hayal edin - etrafta ışık, ses, dış uyaran yok. Sadece senin bilincin, boşlukta asılı duruyor."

Bu, Yale Üniversitesi'nden sinirbilimci Nenad Sestan'ın, ekibinin izole edilmiş bir domuz beynini 36 saat boyunca canlı tutabildiğine ilişkin açıklamasına yorum yapan etik uzmanlarının resmi.

Araştırmacılar, vücut dışında domuz beyinlerini canlı tutuyorlar ABD Ulusal Sağlık Enstitüleri Etik Kurulu'nun bu yıl Mart ayı sonlarında yaptığı bir toplantıda başarılı bir deneyin raporu yapıldı. Araştırmacılar, BrainEx adlı bir ısıtmalı pompa sistemi ve sentetik bir kan ikamesi kullanarak, deneyden birkaç saat önce bir mezbahada öldürülen yüzlerce hayvanın izole beyinlerine sıvı sirkülasyonu ve oksijen tedarikini sürdürdüklerini söyledi.

Organlar, milyarlarca bireysel nöronun aktivitesinin kalıcılığına bakılırsa canlı kaldı. Ancak bilim adamları, "akvaryuma" yerleştirilen domuz beyinlerinin bilinç belirtilerini koruyup korumadığını söyleyemezler. Bir elektroensefalogram kullanılarak standart bir şekilde test edilen elektriksel aktivitenin yokluğu, Sestan'ı "bu beynin hiçbir şey için endişelenmediğine" ikna etti. Hayvanın izole edilmiş beyninin, özellikle onu yıkayan çözeltinin bileşenleri tarafından kolaylaştırılabilecek bir komada olması mümkündür.

Yazarlar deneyin ayrıntılarını açıklamıyorlar - bilimsel bir dergide bir yayın hazırlıyorlar. Bununla birlikte, Sestan'ın ayrıntılı olarak zayıf olan raporu bile, teknolojinin daha da geliştirilmesi konusunda büyük ilgi ve birçok spekülasyon uyandırdı. Görünüşe göre beyni korumak, kalp veya böbrek gibi başka bir organı nakil için korumaktan teknik olarak çok daha zor değil.

Bu, teorik olarak insan beynini az çok doğal bir durumda korumanın mümkün olduğu anlamına gelir.

İzole beyinler, örneğin uyuşturucu araştırmak için iyi bir model olabilir: sonuçta, mevcut düzenleyici kısıtlamalar, bireysel organlar için değil, yaşayan insanlar için geçerlidir. Ancak, etik açıdan burada birçok soru ortaya çıkıyor. Beyin ölümü sorunu bile araştırmacılar için "gri bir alan" olmaya devam ediyor - resmi tıbbi kriterlerin varlığına rağmen, normal yaşam aktivitesine dönüşün hala mümkün olduğu bir dizi benzer durum var. Beynin canlı kaldığını iddia ettiğimizde durum hakkında ne söyleyebiliriz. Ya vücuttan izole edilen beyin, kişilik özelliklerinin bir kısmını veya tamamını korumaya devam ederse? O zaman makalenin başında açıklanan durumu hayal etmek oldukça mümkündür.

Bilincin gizlendiği yer

20. yüzyılın 80'li yıllarına kadar bilim adamları arasında ruhu bedenden ayıran dualizm teorisinin destekçileri olmasına rağmen, zamanımızda psişeyi inceleyen filozoflar bile bilinç dediğimiz her şeyin üretildiği konusunda hemfikirdir. maddi beyin tarafından (tarih Soru daha ayrıntılı olarak okunabilir, örneğin, bu bölümde, Bilinç Nerede: Sorunun Tarihi ve Arama Beklentileri Nobel ödüllü Eric Kandel'in "Hafıza Arayışı" kitabından).

Dahası, işlevsel manyetik rezonans görüntüleme gibi modern tekniklerle bilim adamları, belirli zihinsel egzersizler sırasında beynin hangi alanlarının aktive edildiğini izleyebilirler. Bununla birlikte, bir bütün olarak bilinç kavramı çok geçicidir ve bilim adamları, bunun beyinde meydana gelen bir dizi süreç tarafından kodlanıp kodlanmadığı veya bundan belirli nöral bağıntıların sorumlu olup olmadığı konusunda hala hemfikir değildir.

Kandel'in kitabında dediği gibi, beyin yarıküreleri cerrahi olarak ayrılmış hastalarda, bilinç ikiye bölünür ve her biri dünyanın bağımsız bir resmini algılar.

Nöroşirürji pratiğinden bu ve benzeri vakalar, en azından bilincin varlığı için beynin simetrik bir yapı olarak bütünlüğünün gerekli olmadığını göstermektedir. Hayatının sonunda sinirbilimle ilgilenmeye başlayan DNA'nın yapısını keşfeden Francis Crick de dahil olmak üzere bazı bilim adamları, bilincin varlığının beyindeki belirli yapılar tarafından belirlendiğine inanırlar.

Belki bunlar belirli nöral devrelerdir, ya da belki de asıl mesele, insanlarda diğer hayvanlara kıyasla oldukça uzmanlaşmış olan beynin yardımcı hücrelerinde - astrositlerde. Öyle ya da böyle, bilim adamları zaten insan beyninin bireysel yapılarını in vitro (“in vitro”) veya hatta in vivo (hayvanların beyninin bir parçası olarak) modelleme noktasına ulaştılar.

Bir biyoreaktörde uyanın

İnsan vücudundan çıkarılan tüm beyinler üzerinde deneylere ne kadar yakın bir zamanda gelineceği bilinmiyor - öncelikle sinirbilimciler ve etikçiler oyunun kuralları üzerinde anlaşmalılar. Bununla birlikte, Petri kaplarındaki ve biyoreaktörlerdeki laboratuvarlarda, üç boyutlu insan beyni kültürlerinin yükselişi, “büyük” insan beyninin yapısını veya onun belirli kısımlarını taklit eden “mini beyinleri” zaten büyütüyor.

Embriyonun gelişim sürecinde, organları, kendi kendine örgütlenme ilkesine göre genlerde bulunan bir programa göre belirli aşamalara kadar oluşturulur. Sinir sistemi bir istisna değildir. Araştırmacılar, kök hücre kültüründe belirli maddelerin yardımıyla sinir dokusu hücrelerine farklılaşma başlatılırsa, bunun, embriyonik nöral tüpün morfogenezi sırasında meydana gelenlere benzer şekilde hücre kültüründe spontan yeniden düzenlemelere yol açtığını buldular.

Bu şekilde indüklenen kök hücreler "varsayılan olarak" nihayetinde serebral korteksin nöronlarına farklılaşır, ancak dışarıdan bir Petri kabına sinyal molekülleri eklenerek, örneğin orta beyin, striatum veya omurilik hücreleri elde edilebilir. Embriyonik kök hücrelerden gelen içsel bir kortikogenez mekanizmasının, tıpkı beyinde olduğu gibi, birkaç nöron katmanından oluşan ve yardımcı astrositleri içeren bir tabakta, gerçek bir kortekste yetiştirilebileceği ortaya çıktı.

İki boyutlu kültürlerin oldukça basitleştirilmiş bir modeli temsil ettiği açıktır. Sinir dokusunun kendi kendini organize eden ilkesi, bilim adamlarının sferoidler ve beyin organelleri adı verilen üç boyutlu yapılara hızla geçmesine yardımcı oldu. Doku organizasyonu süreci, ilk kültür yoğunluğu ve hücre heterojenliği gibi başlangıç koşullarındaki değişikliklerden ve eksojen faktörlerden etkilenebilir. Belirli sinyalleme kaskadlarının aktivitesini modüle ederek, ışığa duyarlı insan beyni organoidlerinde Hücre çeşitliliğini ve ağ dinamiklerini reaksiyona sokan retina epitelli optik kap gibi organoidde gelişmiş yapıların oluşumunu sağlamak bile mümkündür.

Özel bir damarın kullanılması ve büyüme faktörleriyle tedavi, bilim adamlarının kasıtlı olarak elde etmelerine izin verdi. insan kortikal gelişimini in vitro olarak uyarılmış pluripotent kök hücreler kullanarak modelleme - ön beyine (yarıküreler) karşılık gelen bir insan serebral organoidi, gelişimi, şuna bakılırsa, genlerin ve belirteçlerin ifadesi, fetal gelişimin ilk üç aylık dönemine karşılık geldi …

Ve Sergiu Pasca liderliğindeki Stanford'dan bilim adamları, bir Petri kabında ön beyni taklit eden kümeleri büyütmenin bir yolu olan 3D kültürde insan pluripotent kök hücrelerinden Fonksiyonel kortikal nöronlar ve astrositleri geliştirdiler. Bu tür "beyinlerin" boyutu yaklaşık 4 milimetredir, ancak 9-10 aylık olgunlaşmadan sonra, bu yapıdaki kortikal nöronlar ve astrositler, doğum sonrası gelişim düzeyine, yani doğumdan hemen sonra bebeğin gelişim düzeyine karşılık gelir.

Önemli olarak, bu tür yapıları büyütmek için kök hücreler, örneğin genetik olarak belirlenmiş sinir sistemi hastalıkları olan hastalardan belirli insanlardan alınabilir. Ve genetik mühendisliğindeki ilerlemeler, bilim adamlarının yakında bir Neandertal veya Denisovalı'nın beyninin gelişimini in vitro olarak gözlemleyebileceklerini gösteriyor.

2013 yılında, Avusturya Bilimler Akademisi Moleküler Biyoteknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar, bir biyoreaktörde iki tip kök hücreden "minyatür bir beyin" yetiştirilmesini anlatan Serebral organoidler model insan beyni gelişimini ve mikrosefaliyi anlatan bir makale yayınladılar. tüm insan beyninin yapısı.

Organoidin farklı bölgeleri beynin farklı bölümlerine karşılık geldi: arka, orta ve ön ve hatta "ön beyin" loblara ("yarı küreler") daha fazla farklılaşma gösterdi. Daha da önemlisi, boyutu birkaç milimetreyi geçmeyen bu mini beyinde, bilim adamları aktivite belirtileri, özellikle de uyarılmalarının bir göstergesi olarak hizmet eden nöronların içindeki kalsiyum konsantrasyonundaki dalgalanmaları gözlemlediler (detaylı olarak okuyabilirsiniz) burada bu deney hakkında).

Bilim adamlarının amacı sadece beynin evrimini in vitro olarak yeniden üretmek değil, aynı zamanda mikrosefaliye yol açan moleküler süreçleri de incelemekti - özellikle bir embriyo Zika virüsü ile enfekte olduğunda ortaya çıkan gelişimsel bir anormallik. Bunun için çalışmanın yazarları, aynı mini beyni hastanın hücrelerinden büyüttüler.

Etkileyici sonuçlara rağmen, bilim adamları, bu tür organellerin hiçbir şey gerçekleştiremeyeceklerine ikna oldular. Birincisi, gerçek beyin yaklaşık 80 milyar nöron içerir ve büyütülmüş organoid, birkaç büyüklük derecesini daha az içerir. Bu nedenle, bir mini beyin, gerçek bir beynin işlevlerini tam olarak yerine getirme konusunda fiziksel olarak yeterli değildir.

İkincisi, "in vitro" gelişiminin özellikleri nedeniyle, bazı yapıları oldukça düzensiz bir şekilde yerleştirildi ve birbirleriyle yanlış, fizyolojik olmayan bağlantılar kurdu. Mini beyin bir şey düşündüyse, bizim için kesinlikle sıra dışı bir şeydi.

Bölümlerin etkileşimi sorununu çözmek için, sinirbilimciler beyni "assemloidler" olarak adlandırılan yeni bir düzeyde modellemeyi önerdiler. Oluşumları için organeller önce beynin ayrı bölümlerine karşılık gelen ayrı ayrı büyütülür ve sonra birleştirilir.

Bu yaklaşım bilim adamları, bitişik ön beyinden göç ederek nöronların kütlesinin oluşumundan sonra ortaya çıkan sözde internöronların kortekse nasıl dahil edildiğini incelemek için işlevsel olarak entegre edilmiş insan ön beyin sferoidlerinin Meclisini kullandılar. İki tip sinir dokusundan elde edilen assembloidler, epilepsi ve otizmli hastalarda internöronların migrasyonundaki bozuklukları incelemeyi mümkün kılmıştır.

Başka birinin vücudunda uyanmak

Tüm iyileştirmelere rağmen, tüpte beyin yetenekleri üç temel koşul tarafından ciddi şekilde kısıtlanmıştır. Birincisi, iç yapılarına oksijen ve besin vermelerini sağlayan bir damar sistemine sahip değillerdir. Bu nedenle, mini beyinlerin boyutu, moleküllerin dokudan yayılma yeteneği ile sınırlıdır. İkincisi, mikroglial hücreler tarafından temsil edilen bir bağışıklık sistemleri yoktur: normalde bu hücreler dışarıdan merkezi sinir sistemine göç eder. Üçüncüsü, çözelti içinde büyüyen bir yapı, kendisine ulaşan sinyal moleküllerinin sayısını sınırlayan, vücut tarafından sağlanan belirli bir mikro çevreye sahip değildir. Bu problemlerin çözümü, kimerik beyinli model hayvanların yaratılması olabilir.

Son çalışma, Fred Gage yönetimindeki Salk Enstitüsü'nden Amerikalı bilim adamları tarafından işlevsel ve damarlanmış insan beyni organoidlerinin bir in vivo modeli, bir insan beyin organelinin (yani bir mini beyin) bir farenin beynine entegrasyonunu anlatıyor.. Bunu yapmak için, bilim adamları önce kök hücrelerin DNA'sına yeşil bir floresan protein geni yerleştirdiler, böylece gelişen sinir dokusunun kaderi mikroskopi kullanılarak gözlemlenebilirdi.40 gün boyunca bu hücrelerden organoidler büyütüldü ve daha sonra bağışıklık yetersizliği olan bir farenin retrosplenal korteksindeki bir boşluğa implante edildi. Üç ay sonra, hayvanların yüzde 80'inde implant kök saldı.

Farelerin kimerik beyinleri sekiz ay boyunca analiz edildi. Floresan bir proteinin lüminesansı ile kolayca ayırt edilebilen organoidin başarılı bir şekilde entegre olduğu, dallı bir damar ağı oluşturduğu, aksonlar geliştirdiği ve konakçı beynin sinir süreçleri ile sinapslar oluşturduğu ortaya çıktı. Ek olarak, mikroglia hücreleri konakçıdan implanta taşınmıştır. Son olarak, araştırmacılar nöronların fonksiyonel aktivitesini doğruladılar - elektriksel aktivite ve kalsiyumda dalgalanmalar gösterdiler. Böylece, insan "mini beyni" tamamen fare beyninin bileşimine girdi.

Şaşırtıcı bir şekilde, bir parça insan sinir dokusunun entegrasyonu, deney farelerinin davranışını etkilemedi. Uzamsal öğrenme için yapılan bir testte, kimerik beyinli fareler normal farelerle aynı performansı gösterdi ve hatta daha kötü hafızaya sahipti - araştırmacılar bunu, implantasyon için serebral kortekste bir delik açtıkları gerçeğiyle açıkladılar.

Bununla birlikte, bu çalışmanın amacı, insan bilincine sahip akıllı bir fare elde etmek değil, çeşitli biyomedikal amaçlar için bir vasküler ağ ve mikro çevre ile donatılmış insan beyin organellerinin in vivo bir modelini oluşturmaktı.

2013 yılında Rochester Üniversitesi'ndeki Translasyonel Nörotıp Merkezi'ndeki bilim adamları tarafından, insan glial progenitör hücreleri tarafından ön beyin aşılaması ile tamamen farklı türden bir deney sahnelendi. Daha önce de belirtildiği gibi, insan yardımcı beyin hücreleri (astrositler), diğer hayvanların, özellikle farelerinkinden çok farklıdır. Bu nedenle araştırmacılar, astrositlerin insan beyin fonksiyonlarının gelişmesinde ve sürdürülmesinde önemli bir rol oynadığını öne sürüyorlar. Bilim adamları, insan astrositleri ile kimerik bir fare beyninin nasıl gelişeceğini test etmek için fare embriyolarının beyinlerine yardımcı hücre öncüleri yerleştirdiler.

Kimerik bir beyinde insan astrositlerinin farelerden üç kat daha hızlı çalıştığı ortaya çıktı. Üstelik, kimerik beyinli farelerin birçok yönden normalden önemli ölçüde daha akıllı olduğu ortaya çıktı. Düşünmek, daha iyi öğrenmek ve labirentte gezinmek için daha hızlıydılar. Kimerik fareler muhtemelen insanlar gibi düşünmüyorlardı ama belki de kendilerini farklı bir evrim aşamasında hissedebiliyorlardı.

Ancak kemirgenler, insan beynini incelemek için ideal modellerden uzaktır. Gerçek şu ki, insan sinir dokusu belirli bir iç moleküler saate göre olgunlaşır ve başka bir organizmaya aktarılması bu süreci hızlandırmaz. Farelerin sadece iki yıl yaşadığı ve bir insan beyninin tam oluşumunun birkaç on yıl sürdüğü göz önüne alındığında, kimerik bir beyin biçimindeki uzun vadeli herhangi bir süreç incelenemez. Belki de sinirbilimin geleceği hala akvaryumlardaki insan beynine aittir - ne kadar etik olduğunu öğrenmek için bilim adamlarının sadece zihin okumayı öğrenmeleri gerekiyor ve modern teknoloji bunu yakında yapabilecek gibi görünüyor.