Als onderzoekers de studie van de menselijke hersenen los van het lichaam
Vormende / / December 19, 2019
Het tijdschrift Nature gepubliceerdEthische experimenteren met humaan hersenweefsel robin 17 toonaangevende neurowetenschappers, waar wetenschappers gesproken over de vooruitgang in de ontwikkeling van het menselijk brein modellen. De vrees voor experts zijn als volgt: waarschijnlijk in de nabije toekomst zal het model zo geavanceerd dat ze niet alleen de structuur, maar ook de menselijke hersenfuncties zou spelen.
Is het mogelijk om een "in vitro" een stukje zenuwweefsel te maken, heeft het bewustzijn? Wetenschappers weten de structuur van de hersenen van de dieren in groot detail, maar niet gevonden tot nu toe, wat voor soort structuur "Encode" de geest en hoe ze haar aanwezigheid te meten als het gaat om de geïsoleerde hersenen of iets dergelijks.
De hersenen in het aquarium
"Stel je voor dat je wakker werd in een geïsoleerde isolatietank - rond is er geen licht, geen geluid, geen externe stimuli. Alleen uw bewustzijn, opknoping in de leegte. "
Dit beeld vertegenwoordigt zichzelf experts over ethiek, commentaar op een verklaring van de Yale University neurowetenschapper Nenad Sestao (Nenad Sestan) dat zijn team in geslaagd binnen 36 uur naar het geïsoleerde varken hersenen te handhaven in de "live" conditie.
berichtOnderzoekers zijn het houden van varkens hersenen leven buiten het lichaam geslaagd experiment werd gedaan op een bijeenkomst van de ethische commissie van de National Institutes of Health aan het einde van maart van dit jaar. Volgens de wetenschapper, met behulp van een pompsysteem met verwarmde getiteld BrainEx en synthetische vervanging voor bloed, ondersteunde onderzoekers vloeistof circulatie en zuurstoftoevoer naar honderden dieren geïsoleerd hersenen, ter dood gebracht in een slachthuis in een paar uur voor de experimenteren.
Te oordelen naar het behoud activiteit van miljarden individuele neuronen, de lichamen in leven bleef. Echter, kunnen wetenschappers niet zeggen of de bewaarde varkensvlees hersenen, die in het "aquarium", tekenen van bewustzijn. De afwezigheid van de elektrische activiteit, een bewezen standaard methode met behulp van een elektro, Sestao ervan overtuigd dat "de hersenen ofwel niet is bezorgd over iets." Het is mogelijk dat een geïsoleerde dierlijke hersenen in een toestand van coma, welke met name kan bijdragen aan het wassen van de bestanddelen van de oplossing.
Details van de auteurs niet beschrijven het experiment - ze zijn de voorbereiding van een publicatie in een wetenschappelijk tijdschrift. Maar zelfs in de arme delen Sestao melden grote belangstelling en veel gespeculeerd over de verdere ontwikkeling van de technologie gewekt. Blijkbaar is het behoud van de hersenen is technisch niet veel moeilijker dan enig ander orgaan conservering voor transplantatie, zoals hart of nieren.
Dit betekent dat, in theorie, kunnen worden opgeslagen in een min of meer natuurlijke staat en de menselijke hersenen.
Geïsoleerd hersenen zou een goed model, bijvoorbeeld, voor de studie van drugs te zijn: omdat de bestaande wettelijke beperkingen van toepassing op de mens, en niet op de individuele organen. Echter, vanuit een ethisch oogpunt, dit roept een hoop vragen. Ook de kwestie van de hersendood blijft een "grijze zone" voor onderzoekers - ondanks het bestaan van formele medische criteria, zijn er een aantal soortgelijke toestanden waaruit een terugkeer naar een normaal leven meer mogelijk te maken. Wat kunnen we zeggen over de situatie, als we zeggen dat de hersenen nog in leven is. Wat gebeurt er als geïsoleerd van het lichaam blijft de hersenen zelf alle of een deel van de tekenen van identiteit worden gehouden? Dan is het mogelijk voor te stellen van de situatie eerder beschreven in dit artikel.
Waar bewustzijn leugens
Ondanks het feit dat tot 80-er jaren van de twintigste eeuw bestond onder wetenschappers voorstanders van de theorie van het dualisme dat de ziel scheidt van het lichaam, in onze tijd, zelfs filosofen, gewijd aan de studie van de psyche, we het erover eens dat alles wat wij noemen het bewustzijn wordt gegenereerd door het materiaal hersenen (geschiedenis van het probleem kan worden gelezen in meer detail, bijvoorbeeld, in dit hoofdstukWaar is het bewustzijn: de achtergrond en onderzoeksperspectieven uit het boek van Nobelprijswinnaar Eric Kandel "In Search of Memory").
Bovendien is met de huidige technieken, zoals functionele magnetische resonantie imaging, wetenschappers kan zien wat voor soort gebieden van de hersenen worden geactiveerd tijdens de uitvoering van specifieke mentale uitoefent. Toch is het concept van het bewustzijn als geheel is te vluchtig, en wetenschappers nog steeds niet eens of het een reeks processen die zich in de hersenen, of het wordt gecodeerd aan bepaalde neuralecorrelaten.
Het vertelt in zijn boek, Kandel, bij patiënten met een chirurgisch gescheiden hersenhelften bewustzijn, als het ware gesplitst in twee, die elk een onafhankelijke kijk op de wereld ontvangt.
Deze en soortgelijke gevallen van neurochirurgische praktijk ten minste vermeld dat het bestaan van het bewustzijn van de hersenen integriteit als symmetrische structuur niet vereist. Sommige geleerden, met inbegrip van de ontdekker van de structuur van DNA, Francis Crick, die aan het einde van het leven geïnteresseerd in de neurowetenschappen werd, wordt aangenomen dat de aanwezigheid van het bewustzijn wordt bepaald door de specifieke structuren in de hersenen.
Misschien is het bepaalde neurale keten, en kan de zaak ter ondersteuning van hersencellen - astrocytenDat een persoon heeft, in vergelijking met andere dieren, het is heel gespecialiseerd. Hoe dan ook, voor de modellering van individuele menselijke hersenstructuren in vitro ( "In vitro"), of in vivo (Als onderdeel van dierlijke hersenen) wetenschappers hebben al bereikt.
Wakker worden in de bioreactor
Het is niet bekend hoe snel het gaat om experimenten op de hele hersenen onttrokken aan het menselijk lichaam - in de eerste specialisten in de neurowetenschappen en ethiek moet instemmen met de regels van het spel. Niettemin, in laboratoria in petrischaaltjes en bioreactoren worden nu al gegroeidDe opkomst van driedimensionale menselijke hersenkweken "Mini-brein" dat na te bootsen de structuur van de "grote" het menselijk brein of een specifieke afdeling.
Tijdens de embryonale ontwikkeling van de organen worden gevormd volgens bepaalde stadia van bepaalde genen ingebed in het programma volgens het principe van zelforganisatie. Is geen uitzondering en het zenuwstelsel. De onderzoekers vonden dat indien een kweek van stamcellen gebruik van bepaalde stoffen differentiatie in zenuwcellen induceert weefsel, dit leidt tot spontane herschikkingen in celkweek, vergelijkbaar met die welke optreden tijdens neurale buis morfogenese embryo.
"Standaard" op deze wijze geïnduceerde stamcellen differentiëren terechtkomen in de cortex neuronen hersenen, maar door toevoeging van externe signalering moleculen in een petrischaal kan worden bereid, bijvoorbeeld cellen middenhersenen, striatum of het ruggenmerg. Het bleek dat in de beker kan worden gekweektEen intrinsiek mechanisme corticogenesis uit embryonale stamcellen Dit schors, alsook in de hersenen, bestaande uit verschillende lagen van neuronen en astrocyten bevatten hulpstoffen.
Duidelijk is dat de tweedimensionale kweken sterk vereenvoudigd model. Het principe van zelforganisatie van het zenuwweefsel heeft geholpen wetenschappers om snel naar drie-dimensionale structuren, genaamd organellen bolletjes en cerebrale. Aan het proces van organisatie van het weefsel kan worden beïnvloed door veranderingen in de beginwaarden, zoals de aanvankelijke dichtheid van de kweek en de heterogeniteit van de cellen en exogene factoren. Moduleren van de activiteit van bepaalde signaalwegen, kunt u zelfs de vorming van organel geavanceerde structuren te bereiken, zoals de optische kop met retinale epitheel, responsieveCel diversiteit en netwerkdynamiek in lichtgevoelige menselijke hersenen organoids aan het licht.
Met behulp van een speciale verwerking vat en groeifactoren toegestaan wetenschappers ontvangen directioneelModellering van de menselijke ontwikkeling van de hersenschors in vitro gebruik geïnduceerde pluripotente stamcellen humaan hersen organoïde overeenkomstige voorhersenen (hemisferen) schors, waarvan de ontwikkeling volgens de expressie van genen en markers overeen met het eerste trimester foetale ontwikkeling.
Een wetenschappers van Stanford geleid Serghiou Pask (Sergiu Pasca) ontwikkeldFunctionele corticale neuronen en astrocyten uit menselijke pluripotente stamcellen in 3D cultuur manier om brokken dat de voorhersenen direct in de petrischaal simuleren groeien. De grootte van dergelijke "brein" van ongeveer 4 millimeter, maar na 9-10 maanden rijping corticale neuronen en astrocyten corresponderen deze structuurHuman Astrocyte rijping Gevangen in 3D Cerebrale Corticale Bolletjes Afgeleid van pluripotente stamcellen postnatale ontwikkeling niveau, dat wil zeggen het niveau van de ontwikkeling van de baby direct na de geboorte.
Van belang is dat de stamcellen deze structuren groeien worden genomen bij bepaalde personen, zoals patiënten met genetisch bepaalde aandoeningen van het zenuwstelsel. Een genetische manipulatie succes suggereren dat wetenschappers binnenkort in staat zal zijn om te observeren in vitro de ontwikkeling van de Neanderthaler hersenen of denisovtsa.
In 2013, onderzoekers van het Instituut voor Moleculaire Biotechnologie van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen publiceerde een paperCerebrale organoids model menselijke ontwikkeling van de hersenen en microcefalieBeschrijven het kweken in een bioreactor van beide soorten stamcellen, "de hersenen in miniatuur", imiteren de structuur van de menselijke hersenen als geheel.
Organel verschillende zones komen overeen met verschillende delen van de hersenen: de rug, middelste en voorste en "voorhersenen" vertoonde zelfs een verdere differentiatie in aandelen ( "Hemisphere"). Wat van belang is, in deze mini-brein, waarvan het bedrag is ook niet meer dan een paar millimeter, de onderzoekers waargenomen tekenen van activiteit, bijzonder schommelingen van de calciumconcentratie in zenuwcellen, die indicatief zijn voor de excitatie (voor details van dit experiment gelezen kan hier).
Het doel van de wetenschappers is niet alleen om de ontwikkeling van de hersenen te reproduceren in vitroontwikkelingsstoornissen afwijkingen, die optreden in het bijzonder tijdens de infectie van embryo Zika virus - maar ook om de moleculaire processen die leiden tot microcefalie bestuderen. Voor dit werk verhoogde de auteurs dezelfde mini-brein van cellen van de patiënt.
Ondanks de indrukwekkende resultaten, de onderzoekers waren ervan overtuigd dat zulke organellen niet in staat zijn om iets te realiseren. Ten eerste, in dit hersengebied bevat ongeveer 80 miljard neuronen, en hun organellen geteeld door ordes van grootte kleiner. Zo is de mini-hersenen gewoon niet fysiek in staat om volledig de functies van de hersenen uit te voeren.
Ten tweede vanwege de aard van "in vitro" sommige van de structuren zich nogal chaotisch en onregelmatig gevormde, niet-fysiologische verbindingen met elkaar. Als de mini-hersenen iets en dacht dat het was duidelijk iets ongewoons voor ons.
Om het probleem van de interactie tussen afdelingen op te lossen, hebben neurowetenschappers om model hersenen op een nieuw niveau, die werd uitgeroepen tot "assembloidy" voorgesteld. Voor de vorming eerst afzonderlijk gekweekt organellen overeenkomend met afzonderlijke delen van de hersenen, en dan worden ze gefuseerd.
Deze aanpak, hebben wetenschappers gebruiktMontage van functioneel geïntegreerde menselijke voorhersenen sferoïden te onderzoeken hoe de korst bouwde de zogenaamde interneuronen, waarbij na de vorming van het merendeel van neuronen door migratie van naburige voorhersenen weergegeven. Assembloidy afgeleid van twee soorten zenuwweefsel, liet schendingen van interneuron migratie bij patiënten met epilepsie en autisme te onderzoeken.
Word wakker in het lichaam van iemand anders
Ondanks alle mogelijke verbeteringen "brain in vitro" ernstig beperkt door drie fundamentele condities. Ten eerste hebben ze geen vasculaire systeem dat levering van zuurstof en voedingsstoffen naar de interne structuren toestaat. Daarom is de grootte van de mini-hersenen zijn beperkt tot de diffusie van moleculen door het weefsel. Ten tweede hebben ze geen immuunsysteem, door microgliacellen: normaal, deze cellen migreren in het centrale zenuwstelsel van buitenaf. Ten derde, structuur, waardoor in de oplossing, is er geen specifieke micro-omgeving door het lichaam, waarbij het aantal signaalmoleculen binnendringen beperkt. De oplossing voor deze problemen zou zijn om een chimeer diermodel maken de hersenen.
In recent werkeen in vivo model van functionele en gevasculariseerd menselijk brein organoids Amerikaanse wetenschappers van het Salk Institute onder leiding van Fred Gage (Fred Gage) beschrijft het de integratie van de menselijke cerebrale organel (dwz mini-hersenen) in de hersenen van muizen. Om dit te doen, de onderzoekers eerst ingebouwd in het DNA van de stamcel gen groen fluorescerend eiwit aan het lot van de ontwikkeling van zenuwweefsel kan worden waargenomen met een microscoop. Uit deze cellen werden gedurende 40 dagen organellen die na geïmplanteerd in de holte in de cortex achter de milt immunodeficiënte muis. Na drie maanden 80 procent van de dieren gevangen op het implantaat.
Chimere hersenen van muizen werden geanalyseerd op acht maanden. Gevonden werd dat organellen, die gemakkelijk kunnen worden onderscheiden door het gloeien van een fluorescerend eiwit, met succes geïntegreerd, vormde een uitgebreide vaatstelsel, de axonen groeide en vormde synapsen met zenuwuiteinden master's hersenen. Daarnaast is uit de gastheer in het implantaat bewogen microgliacellen. Tot slot, de onderzoekers bevestigden de functionele activiteit van neuronen - ze toonden elektrische activiteit en calcium schommelingen. Zo is de mens "mini-brein" volledig werd een deel van de hersenen van muizen.
Verrassenderwijs is het gedrag van de experimentele muizen integratie van de menselijke zenuwweefsel werkstuk niet beïnvloed. In de test voor ruimtelijke leren chimere muizenhersenen toonde dezelfde resultaten als die van normale muizen, en verschilde nog slechter geheugen - de onderzoekers verklaren dit door het feit dat ze voor de implantatie van een gat in de bast hebben gedaan hemisferen.
Toch was het doel van dit werk niet krijgen slimme muis met menselijk bewustzijn en het creëren van in vivo model van cerebrale organellen persoon is uitgerust met een netwerk van schepen en micro-omgeving voor diverse biomedische toepassingen.
Het experiment was een heel ander soort van de putVoorhersenen enting door menselijke gliale voorlopercellen verhoogt synaptische plasticiteit en leren in volwassen muizen Wetenschappers van het Center for Translational neyromeditsiny de Universiteit van Rochester in 2013. Zoals eerder vermeld, extra mergcellen (astrocyten) Human verschillen van andere dierlijke cellen, in het bijzonder muizen. Om deze reden, de onderzoekers wijzen erop dat astrocyten een belangrijke rol in de ontwikkeling en het onderhoud van het menselijk brein functies spelen. Om te testen hoe een chimère muis met menselijke hersenen astrocyten te ontwikkelen, hebben wetenschappers voorgangers accessoire cellen geplaatst in de hersenen van de muis embryo's.
Het bleek dat in het chimere menselijke hersenen astrocyten werken drie keer sneller dan de muis. Bovendien chimerische muizen met hersenen waren veel slimmer dan het gemiddelde in veel opzichten. Ze denken snel, beter opgeleid en gericht op het doolhof. Waarschijnlijk chimaere muizen niet denken als mensen, maar zou in staat zijn om de volgende fase van de evolutie te voelen zijn geweest.
Toch is voor de studie van het menselijk brein knaagdieren ver van het ideale model. Dat de menselijke zenuwweefsel rijpt volgens sommige interne moleculaire klok en breng deze in een ander organisme niet bespoedigen. Gezien het feit dat de muizen leefden slechts twee jaar, en de totale vorming van de menselijke hersenen duurt een paar decennia, op lange termijn processen in de vorm van chimere hersenen studie onmogelijk. Misschien is de toekomst van de neurowetenschappen nog steeds buiten de menselijke hersenen in het aquarium - om uit te vinden hoe Het is onethisch, wetenschappers hoeft alleen maar te leren om gedachten te lezen, en moderne technologie, zo lijkt het, zal spoedig toelaten doen.
zie ook
- 8 gedachte-experimenten die ervoor zorgt dat je denkt →
- 4 vragen om hulp te beginnen met een interessant gesprek →
- Hoe de mysteries van de hersenen te ontrafelen en leren om het te beheren: 15 behulpzaam boeken →