چگونه محققان مغز انسان را جدا از بدن مطالعه می کنند

2024 نویسنده: Malcolm Clapton | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 03:54

دانشمندان چگونه مدل هایی از مغز انسان را ایجاد می کنند و چنین تحقیقاتی چه مسائل اخلاقی را مطرح می کند.

ژورنال نیچر کتاب اخلاق آزمایش با بافت مغز انسان را منتشر کرد، نامه ای جمعی از 17 عصب شناس برجسته در جهان، که در آن دانشمندان پیشرفت در توسعه مدل های مغز انسان را مورد بحث قرار دادند. ترس متخصصان به شرح زیر است: احتمالاً در آینده ای نزدیک مدل ها آنقدر پیشرفته خواهند شد که نه تنها ساختار، بلکه عملکردهای مغز انسان را نیز بازتولید خواهند کرد.

آیا می توان «در لوله آزمایش» قطعه ای از بافت عصبی ایجاد کرد که دارای هوشیاری باشد؟ دانشمندان ساختار مغز حیوانات را با کوچکترین جزئیات می دانند، اما هنوز متوجه نشده اند که کدام ساختارها آگاهی را "رمزگذاری" می کنند و چگونه حضور آن را اندازه گیری می کنند، اگر ما در مورد مغز ایزوله یا شباهت آن صحبت می کنیم.

مغز در آکواریوم

تصور کنید در یک اتاقک محرومیت حسی منزوی از خواب بیدار می شوید - هیچ نور، هیچ صدا و هیچ محرک خارجی در اطراف وجود ندارد. فقط آگاهی تو که در خلأ معلق است.»

این تصویری از اخلاق‌دانان است که در مورد اظهارنظر نناد سستان، عصب‌شناس دانشگاه ییل، اظهار می‌کنند که تیم او توانست مغز خوک جدا شده را به مدت 36 ساعت زنده نگه دارد.

محققان مغز خوک را خارج از بدن زنده نگه می دارند گزارش آزمایش موفقیت آمیزی که در جلسه کمیته اخلاق مؤسسه ملی بهداشت ایالات متحده در اواخر مارس سال جاری انجام شد. او گفت که محققان با استفاده از یک سیستم پمپ گرم به نام BrainEx و یک جایگزین خون مصنوعی، گردش مایع و تامین اکسیژن را به مغز صدها حیوانی که چند ساعت قبل از آزمایش در یک کشتارگاه کشته شده بودند، حفظ کردند.

با قضاوت بر اساس تداوم فعالیت میلیاردها نورون منفرد، اندام ها زنده ماندند. با این حال، دانشمندان نمی توانند بگویند که آیا مغز خوک قرار داده شده در "آکواریوم" نشانه هایی از هوشیاری را حفظ کرده است یا خیر. عدم وجود فعالیت الکتریکی که به روش استاندارد شده با استفاده از الکتروانسفالوگرام آزمایش شد، سستان را متقاعد کرد که "این مغز نگران هیچ چیز نیست." این احتمال وجود دارد که مغز جدا شده حیوان در کما بوده باشد، که به ویژه می تواند با شستشوی اجزای محلول آن را تسهیل کند.

نویسندگان جزئیات آزمایش را فاش نمی کنند - آنها در حال آماده سازی انتشار در یک مجله علمی هستند. با این وجود، حتی گزارش Sestan که در جزئیات ضعیف بود، علاقه زیادی را برانگیخت و گمانه‌زنی‌های زیادی در مورد توسعه بیشتر این فناوری برانگیخت. به نظر می رسد که حفظ مغز از نظر فنی بسیار دشوارتر از حفظ هر عضو دیگری برای پیوند مانند قلب یا کلیه نیست.

این بدان معناست که از نظر تئوری می توان مغز انسان را در یک حالت کم و بیش طبیعی حفظ کرد.

به عنوان مثال، مغزهای ایزوله می‌توانند الگوی خوبی برای تحقیق در مورد داروها باشند: به هر حال، محدودیت‌های نظارتی موجود برای افراد زنده اعمال می‌شود و نه برای اعضای فردی. با این حال، از منظر اخلاقی، سؤالات بسیاری در اینجا مطرح می شود. حتی مسئله مرگ مغزی برای محققان یک "منطقه خاکستری" باقی مانده است - علیرغم وجود معیارهای رسمی پزشکی، تعدادی از شرایط مشابه وجود دارد که بازگشت به فعالیت های زندگی عادی هنوز امکان پذیر است. وقتی ادعا می کنیم مغز زنده است، چه می توانیم بگوییم. اگر مغز، جدا از بدن، به حفظ برخی یا همه ویژگی های شخصیتی ادامه دهد، چه؟ سپس تصور وضعیتی که در ابتدای مقاله توضیح داده شد کاملاً ممکن است.

جایی که آگاهی در کمین است

علیرغم این واقعیت که تا دهه 80 قرن بیستم، طرفداران نظریه ثنویت، که روح را از بدن جدا می کند، در میان دانشمندان وجود داشت، در زمان ما حتی فیلسوفانی که روان را مطالعه می کنند موافق هستند که هر چیزی را که ما آگاهی می نامیم ایجاد می شود. توسط مغز مادی (تاریخ این سوال را می توان با جزئیات بیشتری خواند، به عنوان مثال، در این فصل آگاهی کجاست: تاریخچه مسئله و چشم اندازهای جستجو از کتاب اریک کندل برنده جایزه نوبل "در جستجوی حافظه").

علاوه بر این، با تکنیک های مدرن مانند تصویربرداری رزونانس مغناطیسی عملکردی، دانشمندان می توانند ردیابی کنند که کدام مناطق مغز در طول تمرینات ذهنی خاص فعال می شوند. با این وجود، مفهوم آگاهی به عنوان یک کل بسیار زودگذر است و دانشمندان هنوز در مورد اینکه آیا توسط مجموعه ای از فرآیندهایی که در مغز اتفاق می افتد کدگذاری می شود یا اینکه آیا همبستگی های عصبی خاصی مسئول آن هستند، توافق ندارند.

همانطور که کندل در کتاب خود می گوید، در بیمارانی که نیمکره های مغزی آنها از طریق جراحی جدا شده است، هوشیاری به دو قسمت تقسیم می شود که هر کدام تصویر مستقلی از جهان را درک می کنند.

این موارد و موارد مشابه از عمل جراحی مغز و اعصاب حداقل نشان می دهد که برای وجود هوشیاری، یکپارچگی مغز به عنوان یک ساختار متقارن لازم نیست. برخی از دانشمندان، از جمله کاشف ساختار DNA، فرانسیس کریک، که در اواخر عمر خود به علوم اعصاب علاقه مند شد، معتقدند که وجود هوشیاری توسط ساختارهای خاصی در مغز تعیین می شود.

شاید اینها مدارهای عصبی خاصی باشند، یا شاید نکته در سلول های کمکی مغز باشد - آستروسیت ها، که در انسان، در مقایسه با سایر حیوانات، بسیار تخصصی هستند. به هر شکلی، دانشمندان قبلاً به نقطه مدلسازی ساختارهای فردی مغز انسان در شرایط آزمایشگاهی ("in vitro") یا حتی in vivo (به عنوان بخشی از مغز حیوانات) رسیده اند.

در یک بیوراکتور از خواب بیدار شوید

معلوم نیست به زودی آزمایشات روی کل مغزهای استخراج شده از بدن انسان انجام می شود - ابتدا دانشمندان علوم اعصاب و علمای اخلاق باید در مورد قوانین بازی به توافق برسند. با این وجود، در آزمایشگاه‌های ظروف پتری و بیوراکتورها، ظهور فرهنگ‌های سه‌بعدی مغز انسان در حال رشد «مغزهای کوچک» هستند که ساختار مغز «بزرگ» انسان یا بخش‌های خاص آن را تقلید می‌کنند.

در روند رشد جنین، اندام های آن تا مراحل خاصی بر اساس برنامه ای ذاتی در ژن ها مطابق با اصل خود سازمان دهی تشکیل می شوند. سیستم عصبی نیز از این قاعده مستثنی نیست. محققان دریافتند که اگر تمایز به سلول‌های بافت عصبی در کشت سلول‌های بنیادی با کمک مواد خاصی القا شود، منجر به بازآرایی‌های خود به خودی در کشت سلولی می‌شود، مشابه مواردی که در طول مورفوژنز لوله عصبی جنینی رخ می‌دهد.

سلول‌های بنیادی القا شده به این روش «به‌طور پیش‌فرض» در نهایت به نورون‌های قشر مغز تمایز می‌یابند، اما با افزودن مولکول‌های سیگنال از خارج به ظرف پتری، به عنوان مثال، می‌توان سلول‌های مغز میانی، مخطط یا نخاع را به دست آورد. مشخص شد که مکانیسم ذاتی کورتیکوژنز از سلول های بنیادی جنینی را می توان در یک ظرف، یک قشر واقعی، درست مانند مغز، که از چندین لایه نورون تشکیل شده و حاوی آستروسیت های کمکی است، رشد داد.

واضح است که فرهنگ های دو بعدی نشان دهنده یک مدل بسیار ساده شده است. اصل خودسازماندهی بافت عصبی به دانشمندان کمک کرد تا به سرعت به سمت ساختارهای سه بعدی به نام کروی و اندامک های مغزی حرکت کنند. فرآیند سازماندهی بافت می تواند تحت تأثیر تغییرات در شرایط اولیه مانند تراکم کشت اولیه و ناهمگنی سلولی و عوامل برون زا باشد. با تعدیل فعالیت برخی از آبشارهای سیگنالینگ، حتی می توان به تشکیل ساختارهای پیشرفته در ارگانوئید، مانند کاپ نوری با اپیتلیوم شبکیه، که تنوع سلولی و پویایی شبکه در ارگانوئیدهای حساس به نور مغز انسان را به نور واکنش نشان می دهد، دست یافت.

استفاده از یک رگ مخصوص و درمان با فاکتورهای رشد به دانشمندان این امکان را داد تا به طور هدفمند مدل سازی رشد قشر انسان را در شرایط آزمایشگاهی با استفاده از سلول های بنیادی پرتوان القایی به دست آورند - یک ارگانوئید مغزی انسانی مربوط به پیش مغز (نیمکره ها) با قشر، که رشد آن، با قضاوت بر اساس بیان ژن ها و نشانگرها، مطابق با سه ماهه اول رشد جنین …

و دانشمندان از استانفورد به رهبری سرجیو پاسکا، نورون‌های قشر مغزی و آستروسیت‌های عملکردی را از سلول‌های بنیادی پرتوان انسانی در کشت سه‌بعدی توسعه داده‌اند، راهی برای رشد توده‌هایی که دقیقاً از مغز جلویی در ظرف پتری تقلید می‌کنند. اندازه چنین "مغزهایی" حدود 4 میلی متر است، اما پس از 9-10 ماه از بلوغ، نورون های قشر مغز و آستروسیت ها در این ساختار با سطح رشد پس از تولد، یعنی سطح رشد نوزاد بلافاصله پس از تولد مطابقت دارند.

نکته مهم این است که سلول های بنیادی برای رشد چنین ساختارهایی را می توان از افراد خاص، به عنوان مثال، از بیماران مبتلا به بیماری های ژنتیکی سیستم عصبی گرفته شود. و پیشرفت های مهندسی ژنتیک نشان می دهد که دانشمندان به زودی قادر خواهند بود رشد مغز یک نئاندرتال یا دنیسووان را در شرایط آزمایشگاهی مشاهده کنند.

در سال 2013، محققان مؤسسه بیوتکنولوژی مولکولی آکادمی علوم اتریش مقاله‌ای را منتشر کردند که ارگانوئیدهای مغزی رشد مغز انسان و میکروسفالی را مدل می‌کنند و در آن کشت یک "مغز مینیاتوری" از دو نوع سلول بنیادی در یک بیوراکتور را توصیف می‌کردند. ساختار کل مغز انسان

نواحی مختلف ارگانوئید مربوط به بخش‌های مختلف مغز بود: خلفی، میانی و قدامی، و «جلو مغز» حتی تمایز بیشتری به لوب‌ها («نیمکره‌ها») نشان داد. نکته مهم این است که در این مینی مغز، که اندازه آن نیز از چند میلی متر تجاوز نمی کرد، دانشمندان نشانه هایی از فعالیت، به ویژه نوسانات در غلظت کلسیم درون نورون ها را مشاهده کردند که به عنوان شاخصی از تحریک آنها عمل می کند (می توانید جزئیات را بخوانید. در مورد این آزمایش در اینجا).

هدف دانشمندان نه تنها بازتولید تکامل مغز در شرایط آزمایشگاهی، بلکه مطالعه فرآیندهای مولکولی منجر به میکروسفالی - یک ناهنجاری رشدی است که به ویژه زمانی که جنین به ویروس زیکا آلوده می‌شود، رخ می‌دهد. برای این کار، نویسندگان کار همان مینی مغز را از سلول های بیمار رشد داده اند.

علیرغم نتایج چشمگیر، دانشمندان متقاعد شدند که چنین اندامک هایی قادر به درک چیزی نیستند. اول، مغز واقعی شامل حدود 80 میلیارد نورون است و ارگانوئید رشد یافته حاوی چندین مرتبه قدر کمتر است. بنابراین، یک مینی مغز به سادگی قادر به انجام کامل عملکردهای یک مغز واقعی نیست.

ثانیاً ، به دلیل ویژگی های توسعه "در شرایط آزمایشگاهی" ، برخی از ساختارهای آن به طور نسبتاً آشفته ای قرار گرفتند و ارتباطات نادرست و غیر فیزیولوژیکی با یکدیگر تشکیل دادند. اگر مینی مغز چیزی فکر می کرد، واضح است که برای ما چیز غیرعادی بود.

به منظور حل مشکل تعامل بخش‌ها، دانشمندان علوم اعصاب مدل‌سازی مغز را در سطح جدیدی پیشنهاد کرده‌اند که به آن "مونتاژوئید" می‌گویند. برای تشکیل آنها، اندامک ها ابتدا به طور جداگانه، مربوط به بخش های جداگانه مغز، رشد می کنند و سپس ادغام می شوند.

این رویکرد، دانشمندان از مجموعه کروی‌های یکپارچه‌ی عملکردی پیش‌مغز انسان برای مطالعه چگونگی ترکیب نورون‌های درونی، که پس از تشکیل بخش عمده‌ای از نورون‌ها با مهاجرت از مغز جلویی مجاور ظاهر می‌شوند، در قشر مغز استفاده کردند. مجموعه‌های به‌دست‌آمده از دو نوع بافت عصبی، بررسی اختلالات مهاجرت نورون‌های داخلی در بیماران مبتلا به صرع و اوتیسم را ممکن ساخته است.

در بدن شخص دیگری بیدار شوید

حتی با وجود همه پیشرفت‌ها، قابلیت‌های مغز در لوله به شدت توسط سه شرط اساسی محدود شده است. اولاً، آنها سیستم عروقی ندارند که به آنها اجازه دهد اکسیژن و مواد مغذی را به ساختارهای داخلی خود برسانند. به همین دلیل، اندازه مینی مغزها توسط توانایی مولکول ها برای انتشار در بافت محدود می شود. ثانیاً، آنها یک سیستم ایمنی ندارند که توسط سلول های میکروگلیال نشان داده می شود: به طور معمول این سلول ها از خارج به سیستم عصبی مرکزی مهاجرت می کنند. ثالثاً، ساختاری که در محلول رشد می‌کند، ریزمحیط خاصی توسط بدن ارائه نمی‌شود، که تعداد مولکول‌های سیگنالی را که به آن می‌رسند محدود می‌کند. راه حل این مشکلات می تواند ایجاد حیوانات مدل با مغز کایمریک باشد.

کار اخیر یک مدل in vivo از ارگانوئیدهای عملکردی و عروقی مغز انسان توسط دانشمندان آمریکایی از موسسه سالک به سرپرستی فرد گیج، ادغام یک اندامک مغزی انسان (یعنی یک مینی مغز) را در مغز یک موش توصیف می کند.. برای انجام این کار، دانشمندان ابتدا ژن یک پروتئین فلورسنت سبز را در DNA سلول های بنیادی قرار دادند تا با استفاده از میکروسکوپ، سرنوشت بافت عصبی در حال رشد را مشاهده کرد.ارگانوئیدها از این سلول‌ها به مدت 40 روز رشد کردند، که سپس در حفره‌ای در قشر پشت اسپلنال یک موش دارای نقص ایمنی کاشته شدند. سه ماه بعد، در 80 درصد از حیوانات، ایمپلنت ریشه کرد.

مغز کایمریک موش ها به مدت هشت ماه مورد بررسی قرار گرفت. معلوم شد که ارگانوئیدی که می‌توان آن را به راحتی با درخشندگی یک پروتئین فلورسنت تشخیص داد، با موفقیت یکپارچه شد، یک شبکه عروقی شاخه‌دار تشکیل داد، آکسون‌ها را رشد داد و سیناپس‌ها را با فرآیندهای عصبی مغز میزبان تشکیل داد. علاوه بر این، سلول های میکروگلیا از میزبان به ایمپلنت منتقل شده اند. در نهایت، محققان فعالیت عملکردی نورون ها را تأیید کردند - آنها فعالیت الکتریکی و نوسانات کلسیم را نشان دادند. بنابراین، "مینی مغز" انسان به طور کامل وارد ترکیب مغز موش شد.

با کمال تعجب، ادغام یک قطعه از بافت عصبی انسان بر رفتار موش های آزمایشی تأثیری نداشت. در آزمایشی برای یادگیری فضایی، موش‌هایی با مغز کایمریک مانند موش‌های معمولی عمل کردند و حتی حافظه بدتری داشتند - محققان این را با این واقعیت توضیح دادند که برای کاشت، سوراخی در قشر مغز ایجاد کردند.

با این وجود، هدف از این کار دستیابی به یک موش هوشمند با آگاهی انسانی نبود، بلکه ایجاد یک مدل in vivo از اندامک‌های مغزی انسان مجهز به شبکه عروقی و ریزمحیط برای اهداف مختلف زیست‌پزشکی بود.

آزمایشی از نوع کاملاً متفاوت توسط پیوند مغز پیشانی توسط سلول‌های پیش‌ساز گلیال انسانی انجام شد که باعث افزایش شکل‌پذیری سیناپسی و یادگیری در موش‌های بالغ می‌شود و توسط دانشمندان مرکز اعصاب ترجمه در دانشگاه روچستر در سال 2013 انجام شد. همانطور که قبلا ذکر شد، سلول های مغزی کمکی انسان (آستروسیت ها) با سلول های دیگر حیوانات، به ویژه موش، بسیار متفاوت است. به همین دلیل، محققان پیشنهاد می کنند که آستروسیت ها نقش مهمی در توسعه و حفظ عملکرد مغز انسان دارند. برای آزمایش اینکه چگونه یک مغز موش کایمریک با آستروسیت‌های انسانی رشد می‌کند، دانشمندان پیش‌سازهای سلول‌های کمکی را در مغز جنین‌های موش کاشتند.

مشخص شد که در یک مغز کایمریک، آستروسیت‌های انسان سه برابر سریع‌تر از موش‌ها کار می‌کنند. علاوه بر این، موش هایی با مغز کایمریک از بسیاری جهات به طور قابل توجهی باهوش تر از حد معمول بودند. آنها سریعتر فکر می کردند، بهتر یاد می گرفتند و در پیچ و خم حرکت می کردند. احتمالاً موش‌های کایمریک مانند مردم فکر نمی‌کردند، اما شاید بتوانند خود را در مرحله متفاوتی از تکامل احساس کنند.

با این حال، جوندگان از مدل های ایده آل برای مطالعه مغز انسان دور هستند. واقعیت این است که بافت عصبی انسان مطابق با ساعت مولکولی داخلی بالغ می شود و انتقال آن به موجودی دیگر این روند را تسریع نمی کند. با توجه به اینکه موش‌ها تنها دو سال عمر می‌کنند و شکل‌گیری کامل مغز انسان چند دهه طول می‌کشد، هیچ فرآیند طولانی‌مدتی در قالب یک مغز کایمریک قابل مطالعه نیست. شاید آینده علوم اعصاب هنوز به مغز انسان در آکواریوم تعلق داشته باشد - برای اینکه بفهمند چقدر اخلاقی است، دانشمندان فقط باید یاد بگیرند که چگونه ذهن را بخوانند، و به نظر می رسد فناوری مدرن به زودی قادر به انجام این کار است.