Ako vedci študujú ľudský mozog v izolácii od tela

The Nature časopis vydávanýEtika experimentovanie s ľudskej mozgového tkaniva Robin 17 predné neurológovia, kde vedci diskutovali o pokroku vo vývoji modelov ľudského mozgu. Obavy z expertov sú takto: pravdepodobné, že v blízkej budúcnosti bude tento model sa tak pokročilé, že sa bude hrať nielen štruktúru, ale tiež ľudské mozgové funkcie.

Je možné vytvoriť "in vitro" kus nervového tkaniva, je vedomie? Vedci poznajú štruktúru mozgu zvierat vo veľkom detaile, ale nenašli až teraz, aký druh konštrukcie "Kódovanie" myseľ a ako zmerať jej prítomnosť, pokiaľ ide o izolovanú mozgu alebo podobne.

Mozog v akváriu

"Predstavte si, že ste sa prebudil v ojedinelých izolácie nádrže - asi nie je žiadne svetlo, žiadny zvuk, žiadne vonkajšie podnety. Iba vaše vedomie, visiace v prázdne. "

Tento obrázok predstavujú samy odborníkmi na etiku, komentovať vyhlásenie z Yale University neurológom Nenad Sestao (Nenad Sestan), že jeho tím dokázal počas 36 hodín zachovať izolované prasacej mozog v "live" stav.

správa

Výskumníci udržať ošípaných mozgy pri živote mimo telo Úspešný experiment bol vykonaný na zasadaní Etickej komisie National Institutes of Health na konci marca tohto roka. Podľa vedcov, za použitia čerpadla systému s vyhrievanými názvom BrainEx a syntetická náhrada krvi je podporovaný výskumníci obeh tekutiny a prívod kyslíka do stovky zvierat izolovaných mozgu, usmrtený na bitúnkoch za pár hodín pred tým, než experimentovať.

Súdiac podľa zachovanie aktivity miliárd jednotlivých neurónov tela zostali nažive. Vedci sa však nedá povedať, či konzervovaných bravčových mozgov, ktoré v "akváriu", známky vedomia. Absencia elektrickej aktivity, osvedčená štandardná metóda využívajúca elektroencefalogram, Sestao presvedčený, že "mozog buď nie je starosti o ničom." Je možné, že izolovaná zviera mozog v stave bezvedomia, čo najmä mohli prispieť k umývanie zložiek jeho riešenie.

Podrobnosti o autorov nepopisujú experiment - sa pripravuje publikáciu vo vedeckom časopise. Avšak, dokonca v chudobných častiach Sestao ohlásiť to vzbudilo veľký záujem a mnoho špekulácií o ďalšom vývoji technológií. Zdá sa, že zachovanie mozgu nie je technicky oveľa ťažšie, než akýkoľvek iný orgánov zachovanie pre transplantácie, ako je napríklad srdca alebo obličiek.

To znamená, že teoreticky môžu byť uložené vo viac či menej prírodnom stave a ľudského mozgu.

Izolované mozog by mohol byť dobrým modelom, napríklad pre štúdium liekov: pretože existujúce regulačné obmedzenie platí pre ľudské bytosti, a nie na jednotlivých orgánoch. Avšak, z etického hľadiska, to vyvoláva veľa otázok. Dokonca aj problematika smrti mozgu zostáva "šedú zónu" pre výskumných pracovníkov - napriek existencii formálneho Lekárske kritériá, existuje celý rad podobných stavov, z ktorých návrat do normálneho života viac je to možné. Čo môžeme povedať o situácii, keď povieme, že mozog je stále nažive. Čo keď izolovaná od tela mozog naďalej udržiavať v sebe všetky alebo niektoré z príznakov identity? Potom je možné si predstaviť situáciu popísané vyššie v tomto článku.

Kde vedomie lži

Napriek tomu, že až do 80-tych rokov XX storočia existoval medzi vedcami zástancami teórie dualizmu, ktorá oddeľuje dušu od tela, v dnešnej dobe, a to aj filozofov, venované štúdiu psychiky, sme sa dohodli, že všetky vedomia, ktoré nazývame je generovaný materiálu mozgu (história vydanie si môžete prečítať podrobnejšie, napríklad, V tejto kapitoleKde je vedomie: pozadie a výskumných perspektív z knihy nositeľ Nobelovej ceny Eric Kandel "In Search of Memory").

Okrem toho, s dnešnými technológiami, ako je funkčná magnetickej rezonancie vedci bol schopný vidieť, aké sú druhy oblastí mozgu aktivované počas vykonávania špecifických duševné cvičenia. Avšak, poňatie vedomie ako celok je príliš prchavý a vedci stále nedohodli, či sa jedná o súbor procesov prebiehajúcich v mozgu, alebo je kódovaná spĺňať určité nervové koreluje.

To hovorí vo svojej knihe, Kandel, u pacientov s chirurgicky oddelenými hemisférami mozgu vedomie, ako to bolo rozdelené na dve časti, z ktorých každá dostane nezávislý pohľad na svet.

Tieto a podobné prípady neurochirurgické praxe ukazujú aspoň skutočnosť, že nie je potrebná existencia vedomie integrity mozgu ako symetrickú štruktúrou. Niektorí vedci, vrátane objaviteľ štruktúry DNA, Francis Crick, ktorý na konci životnosti zaujali Neuroscience, predpokladá sa, že prítomnosť vedomie je určená konkrétnymi štruktúrami v mozgu.

Možno je to isté, neurónové reťazec, a môže byť v prípade podpory mozgových buniek - astrocytŽe osoba, v porovnaní s ostatnými zvieratami, je to celkom špecializuje. Mimochodom, pred modelovanie mozgových štruktúr individuálne ľudskej in vitro ( "In vitro"), alebo dokonca in vivo (V rámci živočíšnej mozgu) vedci už dosiahli.

Prebudiť v bioreaktora

Nie je známe, ako skoro sa jedná o experimentoch na celých mozgov získaných z ľudského tela - prvých odborníkov v oblasti neurovied a etiky musia dohodnúť na pravidlách hry. Avšak, v laboratóriách v Petriho miskách a bioreaktoroch sú už pestujúVzostup mozgu kultúr trojrozmerný ľudských "Mini-mozog", ktoré napodobňujú štruktúru "veľkého" ľudského mozgu alebo konkrétne oddelenie.

Počas embryonálneho vývoja z jej orgánov sú vytvorené podľa určitých fázach niektorých génov vložených do programu podľa princípu samoorganizácie. Výnimkou nie je ani a nervový systém. Výskumní pracovníci zistili, že v prípade, že kultúra kmeňových buniek za použitia niektorých látok na indukciu diferenciácie do nervových buniek tkaniva, čo vedie k spontánnej preusporiadanie v bunkovej kultúre, podobných tým, ktoré sa vyskytujú v priebehu morfogeneze neurálnej trubice embryo.

"Predvolené" vyvolané týmto spôsobom kmeňové bunky diferencujú skončiť v kôre neurónov mozgu, ale pridaním externých signalizačných molekúl do Petriho misky môžu byť pripravené, napríklad, buniek stredného mozgu, striatum alebo miechy. Ukázalo sa, že v šálke môže byť pestovanáNeoddeliteľnou mechanizmus corticogenesis z embryonálnych kmeňových buniek Táto kôra, rovnako ako v mozgu, ktorý sa skladá z niekoľkých vrstiev neurónov a astrocyt, ktoré obsahujú pomocné látky.

Je zrejmé, že dvojrozmerné kultúry sú veľmi zjednodušený model. Princíp samoorganizáciu nervového tkaniva pomohla vedcom rýchlo prejsť do trojrozmerných štruktúr zvaných organely sféroidy a detskou mozgovou obrnou. Na procese organizáciu tkaniva môže byť ovplyvnená zmenami v počiatočných podmienok, ako je počiatočná hustota kultúry a heterogenity buniek a exogénne faktory. Moduláciu aktivity niektorých signálnych dráh, možno dokonca dosiahnuť tvorby organel progresívnych stavebných konštrukcií, ako sú optické pohára s retinálnej epitelu, citlivýBunková rozmanitosť a sieťové dynamika v mozgu organoids fotosenzitívne ľudských na svetlo.

Pomocou špeciálnej nádoby na spracovanie a rastových faktorov povolenej vedci dostávajú smerovoModelovanie ľudskej kortikálnej rozvoj in vitro pomocou indukovaných pluripotentných kmeňových buniek ľudskej mozgovej organoidní zodpovedajúce predného mozgu (hemisféry) kôra, vývoj, ktorý, v závislosti na expresiu génov a markery zodpovedá vývoj plodu v prvom trimestri.

A vedci z Stanforde viedol Serghiou Paška (Sergiu Pasca) vyvinutýFunkčné kortikálnej neuróny a astrocyt z ľudských pluripotentných kmeňových buniek v 3D kultúre spôsob, ako rast hrudky, ktoré simulujú predný mozog priamo v Petriho miske. Veľkosť týchto "mozgov" približne 4 mm, ale po 9-10 mesiacoch zrenia kortikálnych neurónov a astrocyt zodpovedajú v tejto štruktúreHuman astrocyt Dozrievanie zachytené v 3D mozgových kortikálnych spheroids odvodený z pluripotentných kmeňových buniek postnatálny úroveň rozvoja, teda úroveň rozvoja dieťaťa ihneď po pôrode.

Dôležité je, že kmeňové bunky na rast týchto štruktúr môže byť prijatá na konkrétne osoby, ako sú pacienti s geneticky podmienených ochorení nervového systému. Genetické inžinierstvo úspech naznačujú, že vedci budú čoskoro môcť pozorovať in vitro Vývoj mozgu neandertálca či denisovtsa.

V roku 2013 vedci z Ústavu molekulárnej biotechnológie Rakúskej akadémie vied publikoval článokCerebrálnej organoids model vývoja ľudského mozgu a mikrocefáliaPopisujúce kultiváciu v bioreaktora s objemom dvoch typov kmeňových buniek, "mozog v miniatúrnej", napodobňujúce štruktúru ľudského mozgu ako celku.

Organela rôzne zóny zodpovedajú rôznym častiam mozgu: zadné, strednej a prednej a "predného mozgu" aj vykazovali ďalšie diferenciácii do podielov ( "pologuli"). Čo je dôležité, v tomto mini-mozog, ktorého výška je tiež nič viac ako niekoľko milimetrov, vedci pozorovať známky aktivity, obzvlášť kolísanie koncentrácie vápnika v neurónoch, ktoré sú určujúce pre ich vybudenie (podrobnosti tohto experimentu čítania plechovka tu).

Cieľom vedcov bolo nielen reprodukovať vývoj mozgu in vitroAle tiež pre štúdium molekulárnej procesy, ktoré vedú k mikrocefália - vývojové chyby, ktoré sa vyskytujú najmä v čase infekcie embryá Zika vírusu. Pre túto prácu autori zvýšil rovnaký mini-mozog buniek pacienta.

Napriek pôsobivým výsledkom, vedci boli presvedčení, že takéto organely nie sú schopní si uvedomiť, čokoľvek. Po prvé, v tejto mozgu obsahuje okolo 80 miliárd neurónov a ich organely vzrástol o niekoľko rádov menší. To znamená, že mini-mozog jednoducho nie je fyzicky schopný plne vykonávať funkciu mozgu.

Po druhé, vzhľadom na charakter "in vitro" niektoré zo svojich štruktúr boli umiestnené dosť chaotické a nepravidelných tvarov, non-fyziologické spojenie so sebou. Ak je niečo mini-mozog a myslel, že to bolo jasne niečo neobvyklé pre nás.

Za účelom vyriešenie tohto problému interakcie medzi oddeleniami, neurológovia navrhli modelu mozgu na novú úroveň, ktorý bol pomenovaný "assembloidy". Pre ich tvorbu najprv pestované oddelene organely zodpovedajúcich oddelených častiach mozgu, a potom sú fúzovania.

Tento prístup, vedci používaliMontáž funkčne integrovaných ľudských predného mozgu spheroids študovať, ako kôra vstavaným tzv interneurón, ktoré sa objavujú po vytvorenie objemu neurónov migráciou zo susedného predného mozgu. Assembloidy odvodený z dvoch typov nervového tkaniva, nechá sa skúmať porušovaniu interneurón migrácie u pacientov s epilepsiou a autizmus.

Prebudiť v tele niekoho iného

Dokonca aj so všetkými zlepšenia možné "mozgu in vitro" silne obmedzené troch základných podmienok. Po prvé, nemajú cievny systém, ktorý umožňuje dodávky kyslíka a živín do vnútorných štruktúr. Z tohto dôvodu, je veľkosť mini mozgy sú obmedzené na difúziu molekúl skrz tkanivo. Po druhé, nemajú žiadnu imunitný systém, za predpokladu, mikroglie: normálne, tieto bunky migrujú do centrálneho nervového systému, z vonkajšej strany. Po tretie, v konštrukcii, zvýšenie v roztoku, neexistuje špecifická mikroprostredie poskytuje v tele, čo obmedzuje počet signálnych molekúl zadaním. Riešením týchto problémov je vytvorenie chimerní zvieracie model mozog.

V nedávnej práci in vivo model funkčných a vaskularizovaného mozgu organoids ľudských Americkí vedci z Salk Institute vedený Fred Gage (Fred Gage), ktorý opisuje integráciu ľudského mozgu organely (tj mini-mozgu) v myšiam mozgu. Aby sa tak stalo, výskumníci postavený do DNA buniek génu kmeňových zelený fluorescenčný proteín osud vyvíjajúci sa nervového tkaniva by mohla byť pozorovaná pod mikroskopom. Z týchto buniek boli kultivované po dobu 40 dní organel, že po implantácii do dutiny v retrosplenial cortex imunodeficitné myši. Po troch mesiacoch 80 percent zvierat ulovených na implantátu.

Chimérických myší mozgy boli analyzované po dobu ôsmich mesiacov. Bolo zistené, že organely, ktoré môžu byť ľahko odlíšený žiaru fluorescenčného proteínu, úspešne integrované, vytvorí rozsiahla cievne, axóny rástli a vytvorili synapsie s nervových procesoch magisterský mozog. Okrem toho, z hostiteľa do implantátu pohybuje mikroglie. Konečne, výskumníci potvrdili funkčnú aktivitu neurónov - sa ukázalo, elektrickej aktivity a vápnika výkyvy. To znamená, že človek "mini-mozog" plne stala súčasťou mozgu myši.

Prekvapivé je, že správanie experimentálna integrácia myši ľudské tkanivá kusu nervového nie je ovplyvnený. V teste pre priestorové učenie chimerická mozgu myši vykazovali rovnaké výsledky ako u normálnych myší, a líšili ešte horšie pamäť - výskumníci vysvetlil tým, že urobili pre implantáciu diery v kôre hemisféry.

Napriek tomu je cieľom tejto práce nedostal chytrý myší s ľudským vedomím a vytvorenie in vivo Model mozgovej organel osoby je vybavený sieťou ciev a mikroprostredie pre rôzne biomedicínske aplikácie.

Experiment bol úplne iný druh putPredný mozog uchytiť sa štepu ľudských gliálních progenitorov zvyšuje synaptickú plasticitu a učenie v dospelých myší Vedci z Centra pre translačných neyromeditsiny na univerzite v Rochesteri v roku 2013. Ako už bolo spomenuté, pomocné bunky kostnej drene (astrocyt) Ľudské sa líši od iných živočíšnych buniek, najmä myší. Z tohto dôvodu sa výskumníci naznačujú, že astrocyt hrajú dôležitú úlohu v rozvoji a udržiavaní funkcií ľudského mozgu. Vyskúšať, ako vyvinúť chimerní myš s ľudskými mozgovej astrocyt, vedci umiestnené predchodcovia príslušenstvo buniek v mozgu myšiach embryí.

Ukázalo sa, že v chimérických ľudských mozgových astrocyt pracovať trikrát rýchlejšie ako myši. Navyše chimérní myši s mozgu, sú oveľa múdrejší, než je priemer v mnohých ohľadoch. Myslia si, rýchly, lepšie vzdelanie a zameral v bludisku. Pravdepodobne chimérických myší nemyslel ako ľudia, ale možno boli schopní cítiť ďalšej fáze vývoja.

Avšak, pre štúdium ľudského mozgu hlodavcov ďaleko od ideálneho modelu. Skutočnosť, že ľudská nervové tkanivo zreje podľa nejaké vnútorné molekulárnej hodiny, a prenášať ich do iného organizmu nie je urýchliť proces. Vzhľadom k tomu, že myši žil iba dva roky, a celková tvorba ľudského mozgu trvá niekoľko desaťročí, žiadne dlhodobé procesy vo formáte chimerická mozgu štúdie nemožné. Možno budúcnosť Neuroscience stále mimo ľudské mozgy v akváriách - zistiť, ako je neetické, vedci stačí sa naučiť čítať myšlienky, a moderné technológie, ako sa zdá, bude čoskoro nedovolí robiť.

pozri tiež

• 8 myslel experimenty, ktoré vás myslieť →
• 4 otázky, ktoré vám pomôžu začať zaujímavý rozhovor →
• Ako rozlúštiť tajomstvo mozgu a naučiť sa ju riadiť: 15 užitočných kníh →