Журнал Nature опублікував колективний лист 17 провідних світових нейробіологів, в якому вчені обговорили прогрес в області розвитку моделей мозку людини. Побоювання фахівців полягають в наступному: ймовірно, вже найближчим часом моделі стануть настільки просунуті, що почнуть відтворювати не тільки будова, а й функції людського мозку.
Чи можливо створити «в пробірці» шматочок нервової тканини, що володіє свідомістю? Вчені знають будову мозку тварин в найдрібніших деталях, але до сих пір не з'ясували, які саме структури «кодують» свідомість і як саме виміряти його наявність, якщо мова йде про ізольованому мозку або його подобі.
Мозок в акваріумі
«Уявіть, що ви прокинулися в ізольованій камері сенсорної депривації - навколо немає ні світла, ні звуків, ніяких зовнішніх стимулів. Тільки ваша свідомість, що висить у порожнечі ».
Таку картину уявляють собі експерти з етики, які коментують заяву нейробіолога з Єльського університету Ненада Сестао (Nenad Sestan) про те, що його команді вдалося протягом 36 годин підтримувати ізольований мозок свині в «живому» стані.
Повідомлення про успішний експеримент було зроблено на зборах етичного комітету Національних інститутів здоров'я США в кінці березня цього року. За словами вченого, за допомогою системи насосів з підігрівом під назвою BrainEx і синтетичного замінника крові дослідники підтримували циркуляцію рідини і постачання киснем ізольованих мізків сотні тварин, убитий на бойні за пару годин до початку експерименту.
Судячи зі збереження активності мільярдів окремих нейронів, органи залишалися живими. Проте вчені не можуть сказати, чи зберегли свинячі мізки, поміщені в «акваріум», ознаки свідомості. Відсутність електричної активності, перевіреної стандартним способом за допомогою електроенцефалограми, переконало Сестао, що «цей мозок ні про що не турбується». Можливо, що ізольований мозок тварини знаходився в стані коми, чому, зокрема, могли посприяти компоненти омиває його розчину.
Подробиці експерименту автори не розголошують - вони готують публікацію в науковому журналі. Проте навіть бідний на деталі доповідь Сестао викликав великий інтерес і безліч спекуляцій на тему подальшого розвитку технології. Судячи з усього, технічно збереження мозку не набагато складніше, ніж збереження будь-якого іншого органу для трансплантації, наприклад серця або нирки.
Це означає, що теоретично можна зберегти в більш-менш природному стані і мозок людини.
Ізольовані мізки могли б стати хорошою моделлю, наприклад, для дослідження препаратів: адже існуючі регуляторні обмеження поширюються на живих людей, а не на окремі органи. Однак з етичної точки зору тут виникає багато питань. Навіть питання смерті мозку залишається «сірою зоною» для дослідників - незважаючи на наявність формальних медичних критеріїв, існує ряд схожих станів, з яких повернення до нормальної життєдіяльності ще можливий. Що ж говорити про ситуацію, коли ми стверджуємо, що мозок залишається живим. Що, якщо ізольований від тіла мозок продовжує зберігати в собі всі або деякі ознаки особистості? Тоді цілком можна собі уявити ситуацію, описану на початку статті.
Кадр з фільму «Мозок Донована» / Dowling Productions, 1953
Де ховається свідомість
Незважаючи на те, що аж до 80-х років XX століття серед вчених існували прихильники теорії дуалізму, яка відділяє душу від тіла, в наш час навіть філософи, що займаються вивченням психіки, згодні, що все, що ми називаємо свідомістю, породжується матеріальним мозком (історію питання більш детально можна прочитати, наприклад, в цьому розділі з книги нобелівського лауреата Еріка Канделя «у пошуках пам'яті»).
Більш того, за допомогою сучасних методів, таких як функціональна магнітно-резонансна томографія, вчені можуть простежити за тим, які саме ділянки мозку активуються в процесі виконання конкретних розумових вправ. Проте поняття свідомості в цілому занадто ефемерне, і вчені до цих пір не зійшлися в думці, кодується воно сукупністю процесів, що відбуваються в мозку, або за нього відповідають певні нейронні кореляти .
Як розповідає у своїй книзі Кандель, у пацієнтів з розділеними хірургічним шляхом півкулями мозку свідомість як би розщеплюється на два, кожне з яких сприймає незалежну картину світу.
Ці та подібні випадки з нейрохірургічної практики вказують принаймні на те, що для існування свідомості цілісності мозку як симетричною структури не потрібно. Деякі вчені, в тому числі першовідкривач структури ДНК Френсіс Крік, який під кінець життя захопився нейробіологією, вважають, що наявність свідомості визначається конкретними структурами в мозку.
Може бути, це певні нейронні ланцюжки, а може бути, справа в допоміжних клітинах мозку - астроцитах , Які у людини, в порівнянні з іншими тваринами, досить сильно спеціалізовані. Так чи інакше, до моделювання окремих структур мозку людини in vitro ( «в пробірці») або навіть in vivo (в складі мозку тварин) вчені вже дійшли.
Прокинутися в біореакторі
Невідомо, як скоро справа дійде до експериментів на цілих мізках, витягнутих з тіла людини, - спочатку фахівці з нейробіології і з етики повинні домовитися про правила гри. Проте в лабораторіях в чашках Петрі і биореакторах вже щосили вирощують «міні-мізки», що імітують за структурою «великий» людський мозок або його конкретні відділи.
Тривимірні органели в чашці Петрі / Genome Institute of Singapore
В процесі розвитку ембріона його органи формуються до певних стадій згідно якоїсь закладеної в генах програмою за принципом самоорганізації. Не став винятком і нервова система. Дослідники виявили, що, якщо в культурі стовбурових клітин за допомогою певних речовин індукувати диференціацію в клітини нервової тканини, це призводить до мимовільних перебудовам в клітинній культурі, схожим на ті, що відбуваються при морфогенезе нервової трубки ембріона.
Індуковані таким чином стовбурові клітини «за замовчуванням» диференціюються в кінцевому підсумку в нейрони кори головного мозку, однак шляхом додавання ззовні сигнальних молекул в чашці Петрі можна отримати, наприклад, клітини середнього мозку, стриатума або спинного мозку. Виявилося, що в чашці можна виростити справжню кору, так само, як і в мозку, що складається з декількох шарів нейронів і містить допоміжні астроцити.
Зрозуміло, що двовимірні культури являють собою сильно спрощену модель. Принцип самоорганізації нервової тканини допоміг вченим швидко перейти на тривимірні структури, звані сфероїді і церебральними органоидами. На процес організації тканини можна вплинути зміною початкових умов, таких як вихідна щільність культури і гетерогенність клітин, і екзогенними факторами. Модулюючи активність певних сигнальних каскадів, можна домогтися навіть формування у органоида просунутих структур, таких як очної келих з епітелієм сітківки, що реагує на світло.
Схема самоорганізації клітинної маси, отриманої зі стовбурових клітин людини (hPS), в мозковій органоид c очним келихом під дією градієнта ростових факторів і нерівномірного розмноження клітин / Sergiu P. Paşca, Nature 2018
Використання спеціальної посудини і обробка ростовими факторами дозволила вченим направлено отримати людський церебральний органоид, відповідний переднього мозку (півкуль) з корою, розвиток якої, судячи з експресії генів і маркерів, відповідала першому триместру розвитку плода.
А вчені з Стенфорда під керівництвом Сергіу Паска (Sergiu Pasca) розробили спосіб вирощувати грудочки, що імітують передній мозок, прямо в чашці Петрі. Розміром такі «мізки» близько 4 міліметрів, однак після 9-10 місяців дозрівання кортикальні нейрони і астроцити в цій структурі відповідають постнатальному рівню розвитку, тобто рівнем розвитку немовляти відразу після народження.
Що важливо, стовбурові клітини для вирощування таких структур можна брати у конкретних людей, наприклад у пацієнтів з генетично зумовленими захворюваннями нервової системи. А успіхи генної інженерії дозволяють припустити, що скоро вчені зможуть поспостерігати in vitro за розвитком мозку неандертальця або денисовців.
У 2013 році дослідники з Інституту молекулярних біотехнологій Австрійської академії наук опублікували статтю, що описує вирощування в біореакторі з двох типів стовбурових клітин «мозку в мініатюрі», що імітує за будовою мозок людини цілком.
Різні зони органоида відповідали різним відділам головного мозку: заднього, середнього і переднього, а «передній мозок» навіть демонстрував подальшу диференціацію на частки ( «півкулі»). Що важливо, в цьому міні-мозку, розмір якого також не перевищував декількох міліметрів, вчені спостерігали ознаки активності, зокрема коливання концентрації кальцію всередині нейронів, які служать показником їх порушення (докладно прочитати про цей експеримент можна тут ).
Метою вчених було не тільки відтворити еволюцію мозку in vitro, але і вивчити молекулярні процеси, що призводять до мікроцефалії - аномалії розвитку, яка спостерігається, зокрема, при зараженні ембріона вірусом Зика. Для цього автори роботи виростили такий же міні-мозок з клітин хворого.
Зріз церебрального органоида з різними відділами, пофарбований за допомогою імуногістохімії на маркери нейронів (зеленим) і клітин-попередниць (червоним) / Madeline A. Lancaster et al, Nature 2013
Незважаючи на вражаючі результати, вчені були впевнені, що такі органели не здатні що-небудь усвідомлювати. По-перше, в цьому мозку міститься близько 80 мільярдів нейронів, а в вирощеному органоїд їх на порядки менше. Таким чином, міні-мозок просто фізично не здатний повною мірою виконувати функції справжнього мозку.
По-друге, через особливості розвитку «в пробірці» деякі його структури виявилися розташовані досить хаотично і сформували неправильні, нефізіологічна зв'язку один з одним. Якщо міні-мозок щось і думав, це явно було щось незвичне нам.
Для того щоб вирішити проблему взаємодії відділів, нейробіологи запропонували моделювати мозок на новому рівні, який отримав назву «ассемблоіди». Для їх формування спочатку окремо вирощують органели, що відповідають окремим ділянкам мозку, а потім їх зливають.
Такий підхід вчені використовували для вивчення того, як в кору вбудовуються так званих інтернейрони, які з'являються вже після формування основної маси нейронів шляхом міграції з сусіднього відділу переднього мозку. Ассемблоіди, отримані з двох типів нервової тканини, дозволили вивчити порушення процесу міграції интернейронов у хворих на епілепсію і аутизмом.
Прокинутися в чужому тілі
Навіть з усіма поліпшеннями можливості «мізків в пробірці» сильно обмежені трьома принциповими умовами. По-перше, у них немає судинної системи, що дозволяє доставляти кисень і поживні речовини до внутрішніх структур. З цієї причини розміри міні-мізків обмежені можливістю дифузії молекул через тканину. По-друге, у них немає імунної системи, представленої клітинами мікроглії: в нормі ці клітини мігрують в центральну нервову систему ззовні. По-третє, у структури, що росте в розчині, немає специфічного мікрооточення, що надається організмом, що обмежує кількість сигнальних молекул, що надходять до неї. Рішенням цих проблем могло б стати створення модельних тварин з химерним мозком.
У свіжій роботі американських вчених з інституту Солка під керівництвом Фреда Гейджа (Fred Gage) описується інтеграція людського церебрального органоида (тобто міні-мозку) в мозок миші. Для того щоб це зробити, вчені спершу вбудували в ДНК стовбурових клітин ген зеленого флуоресцентного білка, щоб за долею розвивається нервової тканини можна було спостерігати за допомогою мікроскопії. З цих клітин протягом 40 днів вирощували органели, які після імплантували в порожнину в ретроспленальной корі імунодефіцитний миші. Через три місяці у 80 відсотків тварин імплант прижився.
Химерні мізки мишей аналізували протягом восьми місяців. Виявилося, що органоид, який можна було легко розрізнити за світінням флуоресцентного білка, успішно інтегрувався, утворив розгалужену судинну мережу, відростив аксони і сформував синапси з нервовими відростками хазяйського мозку. Крім того, від господаря в імплантат перебралися клітини мікроглії. Нарешті, дослідники підтвердили функціональну активність нейронів - вони демонстрували електричну активність і коливання кальцію. Таким чином, людський «міні-мозок» повноцінно увійшов до складу мозку миші.
Схема інтеграції людського мозкового органоида в мозок миші (вгорі) і зображення прижився органоида (внизу) / Abed AlFatah Mansour et al, Nature Biotechnology 2018
Як не дивно, на поведінці піддослідних мишей інтеграція шматка людської нервової тканини не позначилася. У тесті на просторове навчання миші з химерним мозком демонстрували ті ж результати, що і звичайні миші, і відрізнялися навіть гіршою пам'яттю - дослідники пояснили це тим, що для імплантації їм зробили отвір в корі півкуль.
Проте метою цієї роботи було не отримання розумної миші з людською свідомістю, а створення in vivo моделі церебральних органоїдів людини, забезпечених мережею судин і мікрооточенням для різних біомедичних цілей.
Експеримент зовсім іншого роду поставили вчені з Центру трансляційній нейромедіціни університету Рочестера в 2013 році. Як було згадано раніше, допоміжні клітини мозку (астроцити) людини сильно відрізняються від клітин інших тварин, зокрема мишей. З цієї причини дослідники припускають, що астроцити грають важливу роль у розвитку та підтримці функцій мозку людини. Щоб перевірити, як буде розвиватися химерний мозок миші з людськими астроцитами, вчені підсадили попередників допоміжних клітин в мозок мишачих ембріонів.
Виявилося, що в химерному мозку людські астроцити працюють в три рази швидше, ніж мишачі. Більш того, миші з химерним мозком виявилися істотно розумніший звичайних за багатьма параметрами. Вони швидше розуміли, краще навчалися і орієнтувалися в лабіринті. Напевно, химерні миші не мислили як люди, але, можливо, змогли відчути себе на іншій мірі еволюції.
Проте для вивчення людського мозку гризуни далеко не ідеальна модель. Справа в тому, що людська нервова тканина дозріває згідно якимось внутрішнім молекулярним годинах, і перенесення її в інший організм не прискорює цей процес. З огляду на, що миші живуть всього два роки, а повне формування людського мозку займає пару десятиліть, будь-які довгострокові процеси в форматі химерного мозку вивчати неможливо. Можливо, майбутнє нейробіології все-таки за людськими мізками в акваріумах - для з'ясування того, наскільки це етично, вченим треба всього лише навчитися читати думки, а сучасна техніка, здається, скоро дозволить це зробити.
Читайте також
Чи можливо створити «в пробірці» шматочок нервової тканини, що володіє свідомістю?Що, якщо ізольований від тіла мозок продовжує зберігати в собі всі або деякі ознаки особистості?
