Зерттеушілер адам миын денеден бөлек қалай зерттейді

2024 Автор: Malcolm Clapton | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 04:02

Ғалымдар адам миының үлгілерін қалай жасайды және мұндай зерттеулер қандай этикалық мәселелерді көтереді.

Табиғат журналы «Адам миының тінімен эксперимент жасау этикасы» атты әлемдегі жетекші 17 неврологтың ұжымдық хатын жариялады, онда ғалымдар адам миының модельдерін дамытудағы прогресті талқылады. Мамандардың қорқынышы мынадай: мүмкін, жақын болашақта модельдер соншалықты жетілдіріліп, адам миының құрылымын ғана емес, сонымен қатар функцияларын да қайта жасай бастайды.

Санасы бар жүйке тінінің бір бөлігін «пробиркада» жасауға болады ма? Ғалымдар жануарлардың миының құрылымын ең кішкентай бөлшектерге дейін біледі, бірақ қандай құрылымдар сананы «кодтайды» және оның қатысуын қалай өлшеуге болатынын әлі анықтаған жоқ, егер біз оқшауланған ми немесе оның ұқсастығы туралы айтатын болсақ.

Аквариумдағы ми

«Оқшауланған сенсорлық айыру камерасында оянғаныңызды елестетіп көріңіз - айналада жарық, дыбыс, сыртқы ынталандырулар жоқ. Тек сіздің санаңыз, бос жерде ілулі ».

Бұл Йель университетінің неврологы Ненад Сестанның оның тобы оқшауланған шошқа миын 36 сағат бойы тірі қалдыра алғаны туралы мәлімдемесіне түсініктеме берген этика мамандарының суреті.

Зерттеушілер шошқа миын дененің сыртында тірі қалдырады. Осы жылдың наурыз айының соңында АҚШ Ұлттық денсаулық институтының Этика комитетінің отырысында сәтті эксперимент туралы есеп жасалды. BrainEx деп аталатын жылытылатын сорғы жүйесін және синтетикалық қан алмастырғышты пайдалана отырып, зерттеушілер эксперименттен бірнеше сағат бұрын сою алаңында өлтірілген жүздеген жануарлардың оқшауланған миына сұйықтықтың айналымын және оттегінің жеткізілуін қамтамасыз етті, деді ол.

Миллиардтаған жеке нейрондардың белсенділігінің тұрақтылығы бойынша органдар тірі қалды. Дегенмен, ғалымдар «аквариумға» орналастырылған шошқа миының сана белгілерін сақтаған-ұстамағанын айта алмайды. Электроэнцефалограмма арқылы стандартталған әдіспен сыналған электрлік белсенділіктің болмауы Сестанды «бұл ми ештеңеге алаңдамайды» деп сендірді. Мүмкін, жануардың оқшауланған миы комаға түскен болуы мүмкін, бұл, атап айтқанда, оны жуатын ерітіндінің құрамдас бөліктерімен жеңілдетілуі мүмкін.

Авторлар эксперименттің егжей-тегжейлерін ашпайды - олар ғылыми журналда жарияланым дайындап жатыр. Соған қарамастан, тіпті Сестанның егжей-тегжейлері нашар баяндамасы үлкен қызығушылық пен технологияның одан әрі дамуы туралы көптеген болжамдарды тудырды. Трансплантациялау үшін жүрек немесе бүйрек сияқты басқа мүшелерді сақтаудан гөрі миды сақтау техникалық тұрғыдан қиын емес сияқты.

Бұл теориялық тұрғыдан адам миын азды-көпті табиғи қалпында сақтауға болады деген сөз.

Оқшауланған милар, мысалы, есірткіні зерттеу үшін жақсы үлгі бола алады: түптеп келгенде, қолданыстағы нормативтік шектеулер жеке мүшелерге емес, тірі адамдарға қатысты. Дегенмен, этикалық тұрғыдан алғанда, бұл жерде көптеген сұрақтар туындайды. Тіпті мидың өлімі туралы мәселе зерттеушілер үшін «сұр аймақ» болып қала береді - формальды медициналық критерийлердің болуына қарамастан, бірқатар ұқсас жағдайлар бар, олардан қалыпты өмірлік белсенділікке оралу әлі де мүмкін. Мидың тірі екенін растайтын жағдай туралы не айта аламыз. Денеден оқшауланған ми жеке қасиеттердің кейбірін немесе барлығын сақтай берсе ше? Сонда мақаланың басында сипатталған жағдайды елестетуге әбден болады.

Сана жасырынған жерде

20 ғасырдың 80-жылдарына дейін ғалымдар арасында жанды тәннен бөлетін дуализм теориясын жақтаушылар болғанына қарамастан, біздің заманымызда психиканы зерттейтін философтар да сана деп атайтын нәрсенің бәрі туатынымен келіседі. материалды ми арқылы (тарих сұрақты толығырақ оқуға болады, мысалы, осы тарауда Сана қайда: Мәселе тарихы және іздеу перспективалары Нобель сыйлығының лауреаты Эрик Канделдің «Естелік іздеуде» кітабынан).

Сонымен қатар, функционалды магниттік-резонанстық томография сияқты заманауи әдістердің көмегімен ғалымдар нақты психикалық жаттығулар кезінде мидың қай аймақтары белсендірілгенін бақылай алады. Соған қарамастан сана ұғымы тұтастай алғанда тым эфемерлік және ғалымдар оның мида болып жатқан процестердің жиынтығымен кодталған ба, әлде белгілі бір нейрондық корреляциялар оған жауапты ма деген сұраққа әлі келіспеді.

Кандел өз кітабында айтқандай, хирургиялық жолмен бөлінген ми жарты шарлары бар науқастарда сана екіге бөлінеді, олардың әрқайсысы әлемнің тәуелсіз бейнесін қабылдайды.

Нейрохирургиялық тәжірибедегі осы және ұқсас жағдайлар, кем дегенде, сананың болуы үшін симметриялы құрылым ретінде мидың тұтастығы қажет емес екенін көрсетеді. Кейбір ғалымдар, соның ішінде ДНҚ құрылымын ашушы, өмірінің соңында неврологияға қызығушылық танытқан Фрэнсис Крик сананың болуы мидағы ерекше құрылымдармен анықталады деп есептейді.

Мүмкін, бұл белгілі бір нейрондық тізбектер немесе мәселе мидың көмекші жасушаларында - астроциттерде болуы мүмкін, олар адамдарда басқа жануарлармен салыстырғанда өте жоғары маманданған. Қалай болғанда да, ғалымдар адам миының жеке құрылымдарын in vitro («in vitro») немесе тіпті in vivo (жануарлар миының бөлігі ретінде) модельдеу деңгейіне жетті.

Биореакторда ояныңыз

Адам ағзасынан алынған тұтас миға эксперименттер қашан келетіні белгісіз - алдымен неврологтар мен этиктер ойын ережелерін келісу керек. Осыған қарамастан, Петри табақшалары мен биореакторлардағы зертханаларда адам миының үш өлшемді мәдениеттерінің өсуі «үлкен» адам миының немесе оның белгілі бір бөліктерінің құрылымына еліктейтін «шағын милар» өсіп келеді.

Эмбрионның даму процесінде оның мүшелері өзін-өзі ұйымдастыру принципі бойынша гендерге тән қандай да бір бағдарлама бойынша белгілі бір кезеңдерге дейін қалыптасады. Жүйке жүйесі де ерекшелік емес. Зерттеушілер жүйке тінінің жасушаларына дифференциациялану белгілі бір заттардың көмегімен дің жасушаларының культурасында индукцияланатын болса, бұл эмбриондық жүйке түтігінің морфогенезі кезінде болатындарға ұқсас жасуша мәдениетінде өздігінен қайта құруларға әкелетінін анықтады.

Осылайша индукцияланған дің жасушалары «әдепкі бойынша» ми қыртысының нейрондарына дифференциацияланады, алайда Петри табақшасына сырттан сигналдық молекулаларды қосу арқылы, мысалы, ортаңғы мидың, стриатумның немесе жұлынның жасушаларын алуға болады. Эмбриональды бағаналы жасушалардан кортикогенездің ішкі механизмі мидағы сияқты бірнеше нейрондық қабаттардан тұратын және қосалқы астроциттерден тұратын нағыз қыртысты ыдыста өсіруге болатыны анықталды.

Екі өлшемді мәдениеттер өте жеңілдетілген үлгіні білдіретіні анық. Жүйке тінінің өзін-өзі ұйымдастыру принципі ғалымдарға сфероидтар мен церебральды органеллалар деп аталатын үш өлшемді құрылымдарға жылдам өтуге көмектесті. Тіндердің ұйымдасу процесіне бастапқы культураның тығыздығы мен жасушаның біркелкі еместігі сияқты бастапқы жағдайлардың өзгеруі және экзогендік факторлар әсер етуі мүмкін. Белгілі бір сигналдық каскадтардың белсенділігін модуляциялау арқылы тіпті органоидтағы жетілдірілген құрылымдардың қалыптасуына қол жеткізуге болады, мысалы, торлы эпителийі бар оптикалық шыныаяқ, жарыққа фотосезімтал адам ми органоидтеріндегі жасуша әртүрлілігі мен желілік динамикаға жауап береді.

Арнайы ыдысты қолдану және өсу факторларымен емдеу ғалымдарға индукцияланған плюрипотентті дің жасушаларын - қыртысы бар алдыңғы миға (жарты шарларға) сәйкес келетін адамның церебральды органоидтарын пайдалана отырып in vitro адамның қыртысының дамуын модельдеуді мақсатты түрде алуға мүмкіндік берді, оның дамуын бағалау бойынша. ұрықтың дамуының бірінші триместріне сәйкес келетін гендер мен маркерлердің экспрессиясы …

Ал Сергиу Паска бастаған Стэнфорд ғалымдары 3D мәдениетінде адамның плюрипотентті дің жасушаларынан функционалдық қыртыс нейрондары мен астроциттерін жасап шығарды, бұл Петри табақшасында алдыңғы миға ұқсайтын түйіршіктерді өсіру әдісі. Мұндай «мидың» мөлшері шамамен 4 миллиметрді құрайды, бірақ 9-10 айлық пісіп-жетілгеннен кейін бұл құрылымдағы кортикальды нейрондар мен астроциттер постнатальды даму деңгейіне сәйкес келеді, яғни нәресте туылғаннан кейін бірден даму деңгейіне сәйкес келеді.

Маңыздысы, мұндай құрылымдарды өсіруге арналған дің жасушаларын нақты адамдардан, мысалы, жүйке жүйесінің генетикалық анықталған аурулары бар науқастардан алуға болады. Ал гендік инженериядағы жетістіктер ғалымдардың жақын арада неандерталь немесе Денисованың миының дамуын in vitro бақылай алатынын болжайды.

2013 жылы Австрия ғылым академиясының Молекулярлық биотехнология институтының зерттеушілері биореактордағы дің жасушаларының екі түрінен «миниатюралық миды» өсіруді сипаттайтын церебральды органоидтар адам миының дамуы мен микроцефалиясын модельдейтін мақаланы жариялады. бүкіл адам миының құрылымы.

Органоидтың әртүрлі аймақтары мидың әртүрлі бөліктеріне сәйкес келді: артқы, ортаңғы және алдыңғы, ал «алдыңғы ми» тіпті лобтарға («жарты шарлар») әрі қарай дифференциялануды көрсетті. Маңыздысы, өлшемі бірнеше миллиметрден аспайтын бұл шағын мида ғалымдар белсенділік белгілерін, атап айтқанда нейрондар ішіндегі кальций концентрациясының ауытқуын байқады, бұл олардың қозуының көрсеткіші ретінде қызмет етеді (сіз егжей-тегжейлі оқи аласыз). бұл эксперимент туралы мұнда).

Ғалымдардың мақсаты мидың эволюциясын in vitro жаңғырту ғана емес, сонымен қатар микроцефалияға әкелетін молекулярлық процестерді зерттеу болды - дамудың ауытқуы, атап айтқанда, эмбрион Зика вирусын жұқтырған кезде пайда болады. Ол үшін жұмыс авторлары науқастың жасушаларынан дәл осындай шағын миды өсірді.

Керемет нәтижелерге қарамастан, ғалымдар мұндай органеллалар ештеңені жүзеге асыруға қабілетсіз екеніне сенімді болды. Біріншіден, нақты мида шамамен 80 миллиард нейрон бар, ал өсірілген органоид бірнеше рет азырақ. Осылайша, мини-ми физикалық тұрғыдан нақты мидың функцияларын толығымен орындауға қабілетті емес.

Екіншіден, «in vitro» даму ерекшеліктеріне байланысты оның кейбір құрылымдары біршама ретсіз орналасып, бір-бірімен дұрыс емес, физиологиялық емес байланыстар қалыптастырды. Егер мини-ми бірдеңе ойласа, бұл біз үшін әдеттен тыс нәрсе екені анық.

Бөлімшелердің өзара әрекеттесу мәселесін шешу үшін неврологтар миды «ассемблоидтар» деп аталатын жаңа деңгейде модельдеуді ұсынды. Олардың пайда болуы үшін органоидтар алдымен мидың жеке бөліктеріне сәйкес бөлек өсіріледі, содан кейін олар біріктіріледі.

Бұл тәсілді ғалымдар іргелес алдыңғы мидан көшу арқылы нейрондардың негізгі бөлігі пайда болғаннан кейін пайда болатын интернейрондар деп аталатындардың қыртысқа қалай кіретінін зерттеу үшін функционалды түрде біріктірілген адамның алдыңғы миы сфероидтарының ассамблеясын пайдаланды. Нерв тінінің екі түрінен алынған ассемблоидтар эпилепсия және аутизммен ауыратын науқастарда интернейрондардың миграциясының бұзылуын зерттеуге мүмкіндік берді.

Басқа біреудің денесінде ояныңыз

Барлық жақсартуларға қарамастан, түтіктегі ми мүмкіндіктері үш негізгі шартпен қатты шектеледі. Біріншіден, олардың ішкі құрылымдарына оттегі мен қоректік заттарды жеткізуге мүмкіндік беретін тамыр жүйесі жоқ. Осы себепті мини-мидың мөлшері молекулалардың ұлпа арқылы диффузиялық қабілетімен шектеледі. Екіншіден, олардың микроглиальды жасушалармен ұсынылған иммундық жүйесі жоқ: әдетте бұл жасушалар орталық жүйке жүйесіне сырттан қоныс аударады. Үшіншіден, ерітіндіде өсетін құрылымда организм қамтамасыз ететін белгілі бір микроорта жоқ, бұл оған жететін сигналдық молекулалардың санын шектейді. Бұл мәселелерді шешу химерикалық миы бар модельдік жануарларды жасау болуы мүмкін.

Фред Гейдждің жетекшілігімен Солк институтының американдық ғалымдары жасаған адам миының функционалды және тамырлы органоидтарының in vivo моделінің жақында жұмысы адамның церебральды органелласының (яғни мини-мидың) тышқанның миына бірігуін сипаттайды.. Бұл үшін ғалымдар алдымен дің жасушаларының ДНҚ-сына жасыл флуоресцентті протеиннің генін енгізді, осылайша дамып келе жатқан жүйке тінінің тағдырын микроскопия арқылы байқауға болады. Бұл жасушалардан органоидтар 40 күн бойы өсірілді, содан кейін олар иммун тапшылығы бар тышқанның ретроспленальды қыртысының қуысына имплантацияланды. Үш айдан кейін жануарлардың 80 пайызында имплант тамыр алды.

Тышқандардың химерикалық миы сегіз ай бойы талданды. Флуоресцентті протеиннің люминесценциясымен оңай ажыратылатын органоид сәтті біріктіріліп, тармақталған тамырлар желісін құрап, аксондар өсіп, қабылдаушы мидың жүйке процестерімен синапстар түзетіні анықталды. Сонымен қатар, микроглия жасушалары хосттан имплантқа көшті. Ақырында, зерттеушілер нейрондардың функционалдық белсенділігін растады - олар электрлік белсенділікті және кальцийдің ауытқуын көрсетті. Осылайша, адамның «мини-миы» тышқан миының құрамына толығымен кірді.

Бір қызығы, адамның жүйке тінінің бір бөлігін біріктіру эксперименталды тышқандардың мінез-құлқына әсер етпеді. Кеңістіктік оқытуға арналған сынақта химерикалық миы бар тышқандар қалыпты тышқандар сияқты жұмыс істеді, тіпті одан да нашар есте қалды - зерттеушілер мұны имплантация үшін ми қыртысында тесік жасау фактісімен түсіндірді.

Осыған қарамастан, бұл жұмыстың мақсаты адам санасы бар интеллектуалды тышқан алу емес, әртүрлі биомедициналық мақсаттарға арналған тамыр торымен және микроортамен жабдықталған адамның ми органеллаларының in vivo моделін жасау болды.

2013 жылы Рочестер университетінің трансляциялық нейромедицина орталығының ғалымдары ересек тышқандардағы синаптикалық пластиканы және үйренуді жақсартатын адамның глиальды ізашар жасушалары арқылы алдыңғы миды сіңіру арқылы мүлдем басқа түрдегі эксперимент жасалды. Бұрын айтылғандай, адамның қосалқы ми жасушалары (астроциттер) басқа жануарлардың, атап айтқанда, тышқандардың жасушаларынан өте ерекшеленеді. Осы себепті зерттеушілер астроциттер адам миының функцияларын дамытуда және қолдауда маңызды рөл атқарады деп болжайды. Химерикалық тінтуірдің миы адам астроциттерімен қалай дамитынын тексеру үшін ғалымдар тышқан эмбриондарының миына көмекші жасуша прекурсорларын отырғызды.

Химерикалық мида адам астроциттері тышқандарға қарағанда үш есе жылдам жұмыс істейтіні белгілі болды. Оның үстіне, химерикалық миы бар тышқандар көптеген жолдармен әдеттегіден әлдеқайда ақылды болып шықты. Олар тезірек ойлауға, жақсырақ үйренуге және лабиринтте шарлауға жылдамырақ болды. Мүмкін, химерикалық тышқандар адамдар сияқты ойламаған шығар, бірақ, мүмкін, олар эволюцияның басқа сатысында өздерін сезінуі мүмкін.

Дегенмен, кеміргіштер адам миын зерттеуге арналған идеалды үлгілерден алыс. Өйткені, адамның жүйке ұлпасы қандай да бір ішкі молекулалық сағатқа сәйкес жетіледі және оның басқа ағзаға ауысуы бұл процесті тездетпейді. Тышқандар екі жыл ғана өмір сүретінін және адам миының толық қалыптасуы бірнеше онжылдықты қажет ететінін ескерсек, химерикалық ми форматындағы кез келген ұзақ мерзімді процестерді зерттеу мүмкін емес. Мүмкін, неврологияның болашағы әлі де аквариумдардағы адам миына тиесілі - оның қаншалықты этикалық екенін білу үшін ғалымдар тек ақыл-ойды оқуды үйренуі керек, ал заманауи технологиялар мұны жақын арада жасай алатын сияқты.