Jak vědci studují lidský mozek izolovaně od těla

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 03:50

Jak vědci vytvářejí modely lidského mozku a jaké etické problémy takový výzkum vyvolává.

Časopis Nature zveřejnil The ethics of experimenting with human brain tissue, kolektivní dopis 17 předních neurovědců na světě, ve kterém vědci diskutovali o pokroku ve vývoji modelů lidského mozku. Obavy specialistů jsou následující: pravděpodobně v blízké budoucnosti budou modely natolik pokročilé, že začnou reprodukovat nejen strukturu, ale i funkce lidského mozku.

Je možné vytvořit "ve zkumavce" kus nervové tkáně, která má vědomí? Vědci znají strukturu mozku zvířat do nejmenších detailů, ale stále nepřišli na to, které struktury „kódují“vědomí a jak měřit jeho přítomnost, pokud mluvíme o izolovaném mozku nebo jeho podobnosti.

Mozek v akváriu

„Představte si, že se probudíte v izolované komoře smyslové deprivace – kolem není žádné světlo, žádný zvuk, žádné vnější podněty. Jen tvé vědomí, visící v prázdnotě."

To je obrázek etiků, kteří komentují prohlášení neurovědce Nenada Sestana z Yale University, že jeho tým byl schopen udržet izolovaný prasečí mozek naživu po dobu 36 hodin.

Výzkumníci udržují prasečí mozky naživu mimo tělo Zpráva o úspěšném experimentu byla učiněna na zasedání Etického výboru amerického Národního institutu zdraví koncem března tohoto roku. Pomocí vyhřívaného čerpacího systému zvaného BrainEx a syntetické krevní náhražky vědci udržovali cirkulaci tekutin a zásobování kyslíkem do izolovaných mozků stovek zvířat zabitých na jatkách několik hodin před experimentem, řekl.

Orgány zůstaly naživu, soudě podle přetrvávání aktivity miliard jednotlivých neuronů. Vědci však nedokážou říci, zda si prasečí mozky umístěné v „akváriu“zachovaly známky vědomí. Absence elektrické aktivity, testovaná standardizovaným způsobem pomocí elektroencefalogramu, přesvědčila Sestana, že „tento mozek se o nic nestará“. Je možné, že izolovaný mozek zvířete byl v kómatu, k čemuž mohlo přispět zejména to, že jej složky roztoku omývaly.

Podrobnosti experimentu autoři nezveřejňují - připravují publikaci ve vědeckém časopise. Přesto i Sestanova zpráva, chudá na detaily, vzbudila velký zájem a mnoho spekulací o dalším vývoji technologie. Zdá se, že uchování mozku není technicky o mnoho obtížnější než uchování jakéhokoli jiného orgánu pro transplantaci, jako je srdce nebo ledvina.

To znamená, že teoreticky je možné zachovat lidský mozek ve víceméně přirozeném stavu.

Izolované mozky by mohly být dobrým modelem například pro výzkum léků: stávající regulační omezení se ostatně vztahují na živé lidi, nikoli na jednotlivé orgány. Z etického hlediska zde však vyvstává mnoho otázek. I otázka mozkové smrti zůstává pro výzkumníky „šedou zónou“– navzdory existenci formálních lékařských kritérií existuje řada podobných stavů, z nichž je stále možný návrat k běžné životní aktivitě. Co můžeme říci o situaci, kdy tvrdíme, že mozek zůstává naživu. Co když si mozek, izolovaný od těla, nadále zachovává některé nebo všechny osobnostní rysy? Pak si lze docela dobře představit situaci popsanou na začátku článku.

Kde se skrývá vědomí

Navzdory tomu, že až do 80. let 20. století existovali mezi vědci zastánci teorie dualismu, který odděluje duši od těla, v naší době se i filozofové studující psychiku shodují, že vše, co nazýváme vědomím, je generováno materiálním mozkem (historie Otázku si lze podrobněji přečíst např. v této kapitole Where is Consciousness: History of the Issue and Prospects of Search z knihy nositele Nobelovy ceny Erica Kandela „In Search of Memory“).

A co víc, s moderními technikami, jako je funkční magnetická rezonance, vědci mohou sledovat, které oblasti mozku jsou aktivovány během konkrétních mentálních cvičení. Přesto je koncept vědomí jako celku příliš pomíjivý a vědci se stále neshodnou na tom, zda je kódováno souborem procesů probíhajících v mozku, nebo jsou za něj zodpovědné určité nervové koreláty.

Jak říká Kandel ve své knize, u pacientů s chirurgicky oddělenými mozkovými hemisférami je vědomí rozděleno na dvě části, z nichž každá vnímá samostatný obraz světa.

Tyto a podobné případy z neurochirurgické praxe naznačují přinejmenším to, že pro existenci vědomí není nutná celistvost mozku jako symetrické struktury. Někteří vědci, včetně objevitele struktury DNA Francise Cricka, který se na sklonku života začal zajímat o neurovědu, se domnívají, že přítomnost vědomí je určována specifickými strukturami v mozku.

Možná se jedná o určité nervové okruhy, nebo možná jde o pomocné buňky mozku - astrocyty, které jsou u lidí ve srovnání s jinými zvířaty spíše vysoce specializované. Tak či onak, vědci již dospěli k tomu, že modelují jednotlivé struktury lidského mozku in vitro („in vitro“) nebo dokonce in vivo (jako součást mozku zvířat).

Probuďte se v bioreaktoru

Není známo, jak brzy dojde na experimenty na celých mozcích extrahovaných z lidského těla – nejprve se na pravidlech hry musí dohodnout neurovědci a etici. Nicméně v laboratořích v Petriho miskách a bioreaktorech, vzestupu trojrozměrných lidských mozkových kultur již rostou „minimozky“, které napodobují strukturu „velkého“lidského mozku nebo jeho specifické části.

V procesu vývoje embrya se jeho orgány až do určitých fází formují podle nějakého programu vlastního genům podle principu samoorganizace. Nervový systém není výjimkou. Vědci zjistili, že pokud je v kultuře kmenových buněk pomocí určitých látek indukována diferenciace na buňky nervové tkáně, vede to ke spontánním přestavbám v buněčné kultuře, podobným těm, ke kterým dochází při morfogenezi embryonální nervové trubice.

Takto indukované kmenové buňky se „standardně“nakonec diferencují na neurony mozkové kůry, nicméně přidáním signálních molekul zvenčí do Petriho misky lze získat například buňky středního mozku, striata nebo míchy. Ukázalo se, že vnitřní mechanismus kortikogeneze z embryonálních kmenových buněk lze pěstovat v misce, skutečné kůře, stejně jako v mozku, skládající se z několika vrstev neuronů a obsahující pomocné astrocyty.

Je zřejmé, že dvourozměrné kultury představují vysoce zjednodušený model. Samoorganizující se princip nervové tkáně pomohl vědcům rychle přejít k trojrozměrným strukturám nazývaným sféroidy a mozkové organely. Proces organizace tkáně může být ovlivněn změnami počátečních podmínek, jako je počáteční hustota kultury a heterogenita buněk, a exogenními faktory. Modulací aktivity určitých signálních kaskád je dokonce možné dosáhnout tvorby pokročilých struktur v organoidu, jako je optický pohárek s retinálním epitelem, který reaguje na buněčnou diverzitu a dynamiku sítě ve fotosenzitivních organoidech lidského mozku na světlo.

Použití speciální nádoby a ošetření růstovými faktory umožnilo vědcům cíleně získat Modelování vývoje lidské kůry in vitro pomocí indukovaných pluripotentních kmenových buněk - lidský mozkový organoid odpovídající přednímu mozku (hemisférám) s kůrou, jejíž vývoj, soudě podle exprese genů a markerů, odpovídala prvnímu trimestru vývoje plodu …

A vědci ze Stanfordu, vedení Sergiu Pascou, vyvinuli funkční kortikální neurony a astrocyty z lidských pluripotentních kmenových buněk ve 3D kultuře, což je způsob, jak pěstovat shluky, které napodobují přední mozek přímo v Petriho misce. Velikost takových "mozků" je asi 4 milimetry, ale po 9-10 měsících zrání kortikální neurony a astrocyty v této struktuře odpovídají postnatální úrovni vývoje, to znamená úrovni vývoje dítěte bezprostředně po narození.

Důležité je, že kmenové buňky pro pěstování takových struktur lze odebírat od konkrétních lidí, například od pacientů s geneticky podmíněnými chorobami nervového systému. A pokroky v genetickém inženýrství naznačují, že vědci budou moci brzy in vitro pozorovat vývoj mozku neandrtálce nebo denisovana.

V roce 2013 zveřejnili vědci z Ústavu pro molekulární biotechnologie Rakouské akademie věd článek Cerebrální organoidy modelující vývoj lidského mozku a mikrocefalii, popisující kultivaci „miniaturního mozku“ze dvou typů kmenových buněk v bioreaktoru, který napodobuje tzv. struktura celého lidského mozku.

Různé zóny organoidu odpovídaly různým částem mozku: zadní, střední a přední a „přední mozek“dokonce vykazoval další diferenciaci na laloky („hemisféry“). Důležité je, že v tomto minimozku, který také nepřesahoval několik milimetrů, vědci pozorovali známky aktivity, zejména kolísání koncentrace vápníku uvnitř neuronů, které slouží jako indikátor jejich excitace (podrobně si můžete přečíst o tomto experimentu zde).

Cílem vědců bylo nejen reprodukovat evoluci mozku in vitro, ale také studovat molekulární procesy vedoucí k mikrocefalii - vývojové abnormalitě, ke které dochází zejména při infekci embrya virem Zika. Za tímto účelem autoři práce vypěstovali stejný minimozek z buněk pacienta.

Navzdory působivým výsledkům byli vědci přesvědčeni, že takové organely nejsou schopny cokoliv realizovat. Za prvé, skutečný mozek obsahuje asi 80 miliard neuronů a pěstovaný organoid obsahuje o několik řádů méně. Minimozek tedy jednoduše není fyzicky schopen plně vykonávat funkce skutečného mozku.

Za druhé, kvůli zvláštnostem vývoje „in vitro“byly některé jeho struktury umístěny spíše chaoticky a vytvářely mezi sebou nesprávná, nefyziologická spojení. Pokud si minimozek něco myslel, bylo to pro nás zjevně něco neobvyklého.

Aby se vyřešil problém interakce oddělení, neurovědci navrhli modelovat mozek na nové úrovni, která se nazývá "assembloidy". Pro jejich vznik se nejprve samostatně pěstují organely, odpovídající jednotlivým částem mozku, a poté se spojují.

Tento přístup vědci použili shromáždění funkčně integrovaných sféroidů lidského předního mozku ke studiu toho, jak jsou takzvané interneurony, které se objevují po vytvoření většiny neuronů migrací ze sousedního předního mozku, začleněny do kůry. Assembloidy získané ze dvou typů nervové tkáně umožnily studovat poruchy migrace interneuronů u pacientů s epilepsií a autismem.

Probuďte se v těle někoho jiného

I přes všechna vylepšení jsou schopnosti mozku v trubici vážně omezeny třemi základními podmínkami. Za prvé, nemají cévní systém, který jim umožňuje dodávat kyslík a živiny do jejich vnitřních struktur. Z tohoto důvodu je velikost minimozků omezena schopností molekul difundovat tkání. Za druhé, nemají imunitní systém, reprezentovaný mikrogliovými buňkami: normálně tyto buňky migrují do centrálního nervového systému zvenčí. Za třetí, struktura rostoucí v roztoku nemá specifické mikroprostředí poskytované tělem, což omezuje počet signálních molekul, které se k ní dostanou. Řešením těchto problémů by mohlo být vytvoření modelových zvířat s chimérickým mozkem.

Nedávná práce An in vivo model funkčních a vaskularizovaných lidských mozkových organoidů amerických vědců ze Salk Institute pod vedením Freda Gage popisuje integraci lidské mozkové organely (tj. minimozku) do mozku myši.. Aby toho dosáhli, vědci nejprve vložili gen pro zeleně fluorescenční protein do DNA kmenových buněk, aby bylo možné mikroskopicky pozorovat osud vyvíjející se nervové tkáně. Organoidy byly pěstovány z těchto buněk po dobu 40 dnů, které byly poté implantovány do dutiny v retrosplenalním kortexu imunodeficientní myši. O tři měsíce později u 80 procent zvířat implantát zakořenil.

Chimérické mozky myší byly analyzovány po dobu osmi měsíců. Ukázalo se, že organoid, který se dal snadno odlišit luminiscencí fluorescenčního proteinu, se úspěšně integroval, vytvořil rozvětvenou vaskulární síť, vyrostl axony a vytvořil synapse s nervovými procesy mozku hostitele. Kromě toho se mikrogliové buňky přesunuly z hostitele do implantátu. Nakonec vědci potvrdili funkční aktivitu neuronů – vykazovaly elektrickou aktivitu a kolísání vápníku. Do složení myšího mozku tak plně vstoupil lidský „minimozek“.

Integrace kousku lidské nervové tkáně překvapivě neovlivnila chování experimentálních myší. V testu prostorového učení si myši s chimérickým mozkem vedly stejně jako normální myši, a dokonce měly horší paměť – vědci to vysvětlili tím, že pro implantaci udělali díru do mozkové kůry.

Cílem této práce však nebylo získat inteligentní myš s lidským vědomím, ale vytvořit in vivo model lidských mozkových organel vybavených cévní sítí a mikroprostředím pro různé biomedicínské účely.

Experiment zcela jiného druhu zinscenovali vědci z Centra pro translační neuromedicínu na Univerzitě v Rochesteru v roce 2013, kdy štěp předního mozku lidskými gliovými progenitorovými buňkami zvyšuje synaptickou plasticitu a učení u dospělých myší. Jak již bylo zmíněno dříve, lidské přídatné mozkové buňky (astrocyty) se velmi liší od buněk jiných zvířat, zejména myší. Z tohoto důvodu vědci naznačují, že astrocyty hrají důležitou roli ve vývoji a udržování funkcí lidského mozku. Aby vědci otestovali, jak se vyvine chimérický myší mozek s lidskými astrocyty, zasadili prekurzory pomocných buněk do mozků myších embryí.

Ukázalo se, že v chimérickém mozku pracují lidské astrocyty třikrát rychleji než myši. Navíc se ukázalo, že myši s chimérickým mozkem jsou v mnoha ohledech výrazně chytřejší než obvykle. Rychleji mysleli, lépe se učili a procházeli bludištěm. Chimérické myši pravděpodobně nemyslely jako lidé, ale možná se mohly cítit v jiné fázi evoluce.

Hlodavci však zdaleka nejsou ideálními modely pro studium lidského mozku. Faktem je, že lidská nervová tkáň dozrává podle nějakých vnitřních molekulárních hodin a její přenos do jiného organismu tento proces neurychluje. Vzhledem k tomu, že myši žijí pouze dva roky a úplné vytvoření lidského mozku trvá několik desetiletí, nelze žádné dlouhodobé procesy ve formátu chimérického mozku studovat. Budoucnost neurovědy možná stále patří lidským mozkům v akváriích – aby vědci zjistili, jak je to etické, stačí se naučit číst myšlenky a zdá se, že moderní technologie to brzy zvládnou.