Hogyan vizsgálják a kutatók az emberi agyat a testtől elszigetelten

2024 Szerző: Malcolm Clapton | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 03:59

Hogyan készítik a tudósok az emberi agy modelljeit, és milyen etikai kérdéseket vetnek fel az ilyen kutatások.

A Nature folyóirat közzétette az emberi agyszövettel való kísérletezés etikáját, a világ 17 vezető idegtudósának kollektív levelét, amelyben a tudósok megvitatták az emberi agymodellek fejlesztésének előrehaladását. A szakemberek félelmei a következők: valószínűleg a közeljövőben a modellek annyira fejlettek lesznek, hogy nemcsak az emberi agy szerkezetét, hanem funkcióit is reprodukálni kezdik.

Lehetséges "kémcsőben" egy olyan idegszövetdarabot létrehozni, amelynek tudata van? A tudósok a legapróbb részletekig ismerik az állatok agyának szerkezetét, de még mindig nem jöttek rá, hogy mely struktúrák "kódolják" a tudatot, és hogyan mérhető a jelenléte, ha elszigetelt agyról vagy annak hasonlóságáról beszélünk.

Agy az akváriumban

„Képzelje el, hogy egy elszigetelt szenzoros deprivációs kamrában ébred fel – nincs körülötte fény, nincs hang, nincsenek külső ingerek. Csak a tudatod lóg az ürességben."

Ez a kép az etikusokról, akik a Yale Egyetem idegtudósának, Nenad Sestannak a kijelentését kommentálják, miszerint csapata 36 órán keresztül életben tudott tartani egy izolált sertés agyát.

A kutatók életben tartják a sertésagyakat a szervezeten kívül egy sikeres kísérletről készült jelentés az Egyesült Államok Nemzeti Egészségügyi Intézete Etikai Bizottságának ez év március végén tartott ülésén. A kutatók a BrainEx nevű fűtött pumpás rendszer és egy szintetikus vérpótló segítségével biztosították a folyadékkeringést és az oxigénellátást a kísérlet előtt néhány órával a vágóhídon leölt állatok izolált agyában.

A szervek életben maradtak, az egyes idegsejtek milliárdjainak fennmaradásából ítélve. A tudósok azonban nem tudják megmondani, hogy az „akváriumba” helyezett sertésagyok megőrizték-e a tudat jeleit. Az elektromos aktivitás hiánya, amelyet szabványos módon, elektroencefalogram segítségével teszteltek, meggyőzte Sestant, hogy "ez az agy nem aggódik semmiért". Lehetséges, hogy az állat izolált agya kómában volt, amit különösen az oldat komponensei segíthettek elő.

A kísérlet részleteit a szerzők nem hozzák nyilvánosságra – egy tudományos folyóiratban publikálnak. Ennek ellenére még Sestan részletgazdag jelentése is nagy érdeklődést és sok találgatást váltott ki a technológia továbbfejlesztésével kapcsolatban. Úgy tűnik, hogy az agy megőrzése technikailag nem sokkal bonyolultabb, mint bármely más szerv, például a szív vagy a vese átültetésre való megőrzése.

Ez azt jelenti, hogy elméletileg meg lehet őrizni az emberi agyat többé-kevésbé természetes állapotban.

Az izolált agy jó modell lehet például a kábítószer-kutatáshoz: a meglévő szabályozási korlátozások ugyanis az élő emberekre vonatkoznak, nem pedig az egyes szervekre. Etikai szempontból azonban itt sok kérdés merül fel. Még az agyhalál kérdése is „szürke terület” marad a kutatók számára – a formális orvosi kritériumok megléte ellenére számos hasonló állapot létezik, amelyekből még mindig lehetséges a normális életvitelhez való visszatérés. Mit is mondhatnánk arról a helyzetről, amikor azt állítjuk, hogy az agy életben marad? Mi van akkor, ha az agy a testtől elszigetelve továbbra is megőrzi a személyiségjegyek egy részét vagy mindegyikét? Akkor teljesen elképzelhető a cikk elején leírt helyzet.

Ahol a tudat lappang

Annak ellenére, hogy a 20. század 80-as éveiig a lelket a testtől elválasztó dualizmus elméletének hívei voltak a tudósok körében, korunkban még a pszichét kutató filozófusok is egyetértenek abban, hogy minden, amit tudatnak nevezünk, létrejön. az anyagi agy által (történelem A kérdés részletesebben olvasható például ebben a fejezetben, a Hol van a tudat: A keresés kérdése és kilátásai című fejezetben a Nobel-díjas Eric Kandel "Az emlékezet nyomában" című könyvéből).

Sőt, a modern technikákkal, például a funkcionális mágneses rezonancia képalkotással a tudósok nyomon tudják követni, hogy az agy mely területei aktiválódnak bizonyos mentális gyakorlatok során. Mindazonáltal a tudat egészének fogalma túlságosan mulandó, és a tudósok még mindig nem értenek egyet abban, hogy az agyban lezajló folyamatok sorozata kódolja-e, vagy bizonyos idegi korrelátumok felelősek érte.

Ahogy Kandel mondja könyvében, a műtétileg leválasztott agyféltekével rendelkező betegek tudata két részre oszlik, amelyek mindegyike önálló világképet észlel.

Az idegsebészeti gyakorlatból származó ilyen és ehhez hasonló esetek legalábbis azt jelzik, hogy a tudat létéhez nem szükséges az agy, mint szimmetrikus szerkezet integritása. Egyes tudósok, köztük a DNS szerkezetének felfedezője, Francis Crick, aki élete végén kezdett érdeklődni az idegtudomány iránt, úgy véli, hogy a tudat jelenlétét az agy sajátos struktúrái határozzák meg.

Lehet, hogy ezek bizonyos idegi áramkörök, vagy talán az agy segédsejtjeiben van a lényeg - az asztrocitákban, amelyek az emberben, más állatokkal összehasonlítva, meglehetősen speciálisak. Így vagy úgy, a tudósok már eljutottak odáig, hogy in vitro („in vitro”) vagy akár in vivo (az állatok agyának részeként) modellezzék az emberi agy egyedi struktúráit.

Ébredjen egy bioreaktorban

Nem tudni, mennyi időn belül jönnek az emberi testből kinyert egész agyakon végzett kísérletek – először is idegtudósoknak és etikusoknak kell megegyezniük a játékszabályokban. Mindazonáltal a Petri-csészékben és bioreaktorokban található laboratóriumokban a háromdimenziós emberi agykultúrák térnyerése már most is „miniagyakat” növeszt, amelyek utánozzák a „nagy” emberi agy vagy annak meghatározott részeinek szerkezetét.

Az embrió fejlődési folyamatában szervei bizonyos szakaszokig kialakulnak valamilyen, a génekben rejlő program szerint az önszerveződés elve szerint. Ez alól az idegrendszer sem kivétel. A kutatók azt találták, hogy ha az őssejttenyészetben bizonyos anyagok segítségével az idegszövet sejtjeivé történő differenciálódását idézik elő, az spontán átrendeződésekhez vezet a sejttenyészetben, hasonlóan ahhoz, ami az embrionális idegcső morfogenezise során történik.

Az így indukált őssejtek "alapértelmezetten" végső soron az agykéreg neuronjaivá differenciálódnak, azonban kívülről érkező jelzőmolekulák Petri-csészébe történő hozzáadásával például a középagy, a striatum vagy a gerincvelő sejtjei nyerhetők. Kiderült, hogy az embrionális őssejtekből származó kortikogenezis belső mechanizmusa az agyhoz hasonlóan egy edényben, valódi kéregben nevelhető, amely több réteg neuronból áll, és segédasztrocitákat tartalmaz.

Nyilvánvaló, hogy a kétdimenziós kultúrák egy nagyon leegyszerűsített modellt képviselnek. Az idegszövet önszerveződésének elve segített a tudósoknak gyorsan eljutni a háromdimenziós struktúrákhoz, amelyeket szferoidoknak és agyi organellumoknak neveznek. A szövetek szerveződésének folyamatát befolyásolhatják a kezdeti feltételek változásai, mint például a kezdeti tenyészet sűrűsége és a sejt heterogenitása, valamint exogén tényezők. Egyes jelátviteli kaszkádok aktivitásának modulálásával akár fejlett struktúrák kialakítása is elérhető az organoidban, mint például az optikai csésze a retina epitéliumával, amely fényre reagál a fényérzékeny emberi agyi organoidokban lévő sejtdiverzitásra és hálózati dinamikára.

Egy speciális ér használata és a növekedési faktorokkal való kezelés lehetővé tette a tudósok számára, hogy indukált pluripotens őssejtek felhasználásával célirányosan megszerezzék az emberi agykérgi fejlődés modellezését in vitro - az előagynak (féltekéknek) megfelelő kéreggel rendelkező emberi agyi organoidot, amelynek fejlődését a a gének és markerek expressziója megfelelt a magzati fejlődés első trimeszterének…

A stanfordi tudósok pedig Sergiu Pasca vezetésével funkcionális kérgi neuronokat és asztrocitákat fejlesztettek ki emberi pluripotens őssejtekből 3D-tenyészetben, így olyan csomókat növeszthetnek, amelyek az előagyot utánozzák közvetlenül egy Petri-csészében. Az ilyen "agyak" mérete körülbelül 4 milliméter, de 9-10 hónapos érés után az ebben a szerkezetben lévő kérgi neuronok és asztrociták megfelelnek a születés utáni fejlődési szintnek, vagyis a baba fejlődésének szintjének közvetlenül a születés után.

Fontos, hogy az ilyen struktúrák termesztésére szolgáló őssejteket meghatározott emberektől, például genetikailag meghatározott idegrendszeri betegségekben szenvedő betegektől lehet venni. A géntechnológia fejlődése pedig azt sugallja, hogy a tudósok hamarosan képesek lesznek in vitro megfigyelni egy neandervölgyi vagy deniszovói agy fejlődését.

Az Osztrák Tudományos Akadémia Molekuláris Biotechnológiai Intézetének kutatói 2013-ban publikáltak egy cikket, amely az agyi organoidok az emberi agy fejlődését és a mikrokefáliát modellezi, amelyben leírják egy „miniatűr agy” tenyésztését kétféle őssejtből egy bioreaktorban, amely utánozza a az egész emberi agy szerkezete.

Az organoid különböző zónái az agy különböző részeinek feleltek meg: hátsó, középső és elülső, és az „előagy” még további lebenyekre („féltekékre”) való differenciálódást is mutatott. Fontos, hogy ebben a mini-agyban, amely szintén nem haladta meg a néhány millimétert, a tudósok aktivitás jeleit figyelték meg, különösen a kalcium koncentrációjának ingadozásait az idegsejteken belül, amelyek jelzik a gerjesztést (részletesen elolvashatja erről a kísérletről itt).

A tudósok célja nem csak az agy evolúciójának in vitro reprodukálása volt, hanem a mikrokefáliához vezető molekuláris folyamatok tanulmányozása is – ez egy olyan fejlődési rendellenesség, amely különösen akkor fordul elő, amikor egy embriót megfertőznek Zika vírussal. Ehhez a munka szerzői ugyanazt a mini-agyat növesztették ki a páciens sejtjéből.

A lenyűgöző eredmények ellenére a tudósok meg voltak győződve arról, hogy az ilyen organellumok nem képesek bármit is megvalósítani. Először is, a valódi agy körülbelül 80 milliárd neuront tartalmaz, és a kifejlett organoid több nagyságrenddel kevesebbet tartalmaz. Így egy miniagy egyszerűen fizikailag nem képes teljes mértékben ellátni a valódi agy funkcióit.

Másodszor, az "in vitro" fejlődés sajátosságai miatt egyes szerkezetei meglehetősen kaotikusan helyezkedtek el, és helytelen, nem fiziológiai kapcsolatokat alakítottak ki egymással. Ha a miniagy gondolt valamit, az egyértelműen valami szokatlan volt számunkra.

Az osztályok interakciójának problémájának megoldása érdekében az idegtudósok azt javasolták, hogy az agyat egy új szinten modellezzék, amelyet "assembloidoknak" neveznek. Kialakulásukhoz az organellumokat először külön növesztik, az agy egyes részeinek megfelelően, majd egyesítik őket.

Ezzel a megközelítéssel a tudósok a funkcionálisan integrált emberi előagyi szferoidok összeállítását használták annak tanulmányozására, hogyan épülnek be a kéregbe az úgynevezett interneuronok, amelyek azután jelennek meg, hogy a szomszédos előagyból vándorolva a neuronok nagy része kialakult. Kétféle idegszövetből nyert assembloidok lehetővé tették az interneuronok migrációjának zavarainak tanulmányozását epilepsziás és autista betegeknél.

Ébredj fel valaki más testében

Még az összes fejlesztés ellenére is az agy a csőben képességeit három alapvető feltétel súlyosan korlátozza. Először is, nincs érrendszerük, amely lehetővé tenné számukra, hogy oxigént és tápanyagokat szállítsanak belső struktúráikba. Emiatt a miniagyok méretét korlátozza a molekulák azon képessége, hogy átdiffundáljanak a szöveteken. Másodszor, nincs immunrendszerük, amelyet mikrogliasejtek képviselnek: általában ezek a sejtek kívülről vándorolnak a központi idegrendszerbe. Harmadszor, egy oldatban növekvő szerkezetnek nincs a szervezet által biztosított specifikus mikrokörnyezete, ami korlátozza az azt elérő jelzőmolekulák számát. A megoldás ezekre a problémákra kiméra agyú modellállatok létrehozása lehetne.

A Salk Institute amerikai tudósai, Fred Gage irányítása alatt nemrég megjelent A funkcionális és vaszkularizált emberi agy organoidjainak in vivo modellje című munkája egy emberi agyi organellum (vagyis egy miniagy) integrációját írja le egy egér agyába.. Ennek érdekében a tudósok először egy zöld fluoreszcens fehérje génjét helyezték be az őssejtek DNS-ébe, hogy mikroszkóppal megfigyelhető legyen a fejlődő idegszövet sorsa. Ezekből a sejtekből 40 napon keresztül organoidokat növesztettek, amelyeket azután egy immunhiányos egér retrosplenális kéregének üregébe ültettek be. Három hónappal később az állatok 80 százalékában az implantátum gyökeret vert.

Az egerek kiméra agyát nyolc hónapig elemeztük. Kiderült, hogy a fluoreszcens fehérje lumineszcenciájával könnyen megkülönböztethető organoid sikeresen integrálódott, elágazó érhálózatot alakított ki, axonokat növesztett és szinapszisokat alkotott a gazdaagy idegfolyamataival. Ezenkívül a mikroglia sejtek a gazdaszervezetből az implantátumba kerültek. Végül a kutatók megerősítették a neuronok funkcionális aktivitását – elektromos aktivitást és a kalciumszint ingadozását mutatták ki. Így az emberi "mini-agy" teljesen belépett az egér agyának összetételébe.

Meglepő módon az emberi idegszövet egy darabjának integrációja nem befolyásolta a kísérleti egerek viselkedését. Egy térbeli tanulást célzó tesztben a kiméra agyú egerek ugyanazt teljesítették, mint a normál egerek, és még rosszabb a memóriájuk is – a kutatók ezt azzal magyarázták, hogy a beültetéshez lyukat készítettek az agykéregben.

Ennek ellenére ennek a munkának nem egy emberi tudattal rendelkező intelligens egér beszerzése volt a célja, hanem egy érhálózattal és mikrokörnyezettel felszerelt emberi agyszervecskék in vivo modelljének megalkotása különböző orvosbiológiai célokra.

A Rochesteri Egyetem Transzlációs Neuromedicina Központjának tudósai 2013-ban egy teljesen más jellegű kísérletet hajtottak végre az emberi glia progenitorsejtek előagy-beültetése révén, amely fokozza a szinaptikus plaszticitást és a tanulást felnőtt egereken. Amint azt korábban említettük, az emberi járulékos agysejtek (asztrociták) nagyon különböznek más állatok, különösen az egerek sejtjeitől. Emiatt a kutatók azt sugallják, hogy az asztrociták fontos szerepet játszanak az emberi agyi funkciók fejlesztésében és fenntartásában. Annak tesztelésére, hogyan fejlődik ki a kiméra egéragy emberi asztrocitákkal, a tudósok segítő sejt-prekurzorokat ültettek az egérembriók agyába.

Kiderült, hogy a kiméra agyban az emberi asztrociták háromszor gyorsabban működnek, mint az egerek. Ráadásul a kiméra agyú egerek sok szempontból lényegesen okosabbnak bizonyultak a szokásosnál. Gyorsabban gondolkodtak, jobban tanultak és eligazodtak a labirintusban. Valószínűleg a kiméra egerek nem úgy gondolkodtak, mint az emberek, de talán az evolúció egy másik szakaszában érezhették magukat.

A rágcsálók azonban távolról sem ideális modellek az emberi agy tanulmányozására. A helyzet az, hogy az emberi idegszövet valamilyen belső molekuláris óra szerint érik, és egy másik szervezetbe való átadása nem gyorsítja fel ezt a folyamatot. Tekintettel arra, hogy az egerek mindössze két évig élnek, és az emberi agy teljes kialakulása néhány évtizedet vesz igénybe, a kiméra agy formájú hosszú távú folyamatok nem vizsgálhatók. Talán az idegtudomány jövője még mindig az akváriumokban lévő emberi agyé – ahhoz, hogy megtudják, mennyire etikus, a tudósoknak csak meg kell tanulniuk olvasni a gondolatokban, és úgy tűnik, a modern technológia hamarosan képes lesz erre.