Taula de continguts:

Com els investigadors estudien el cervell humà aïllat del cos
Com els investigadors estudien el cervell humà aïllat del cos
Anonim

Com creen els científics models del cervell humà i quins problemes ètics planteja aquesta investigació.

Com els investigadors estudien el cervell humà aïllat del cos
Com els investigadors estudien el cervell humà aïllat del cos

La revista Nature va publicar L'ètica de l'experimentació amb teixit cerebral humà, una carta col·lectiva de 17 neurocientífics líders del món, en què els científics discutien el progrés en el desenvolupament de models de cervell humà. Els temors dels especialistes són els següents: probablement en un futur proper els models estaran tan avançats que començaran a reproduir no només l'estructura, sinó també les funcions del cervell humà.

És possible crear "en un tub d'assaig" un tros de teixit nerviós que tingui consciència? Els científics coneixen l'estructura del cervell dels animals en el més mínim detall, però encara no han esbrinat quines estructures "codifiquen" la consciència i com mesurar-ne la presència, si estem parlant d'un cervell aïllat o de la seva similitud.

Cervell a l'aquari

"Imagineu-vos despertar-vos en una cambra de privació sensorial aïllada: no hi ha llum, ni so, ni estímuls externs al voltant. Només la teva consciència, penjada en el buit".

Aquesta és la imatge dels experts en ètica que comenten una declaració del neurocientífic de la Universitat de Yale Nenad Sestan que el seu equip va poder mantenir viu un cervell de porc aïllat durant 36 hores.

Els investigadors mantenen vius els cervells dels porcs fora de l'informe corporal d'un experiment reeixit que es va fer en una reunió del Comitè d'Ètica dels Instituts Nacionals de Salut dels EUA a finals de març d'aquest any. Mitjançant un sistema de bomba escalfada anomenat BrainEx i un substitut sintètic de la sang, els investigadors van mantenir la circulació de fluids i el subministrament d'oxigen als cervells aïllats de centenars d'animals assassinats en un escorxador un parell d'hores abans de l'experiment, va dir.

Els òrgans van romandre vius, a jutjar per la persistència de l'activitat de milers de milions de neurones individuals. Tanmateix, els científics no poden dir si els cervells de porc col·locats a l'"aquari" conservaven signes de consciència. L'absència d'activitat elèctrica, provada de manera estandarditzada mitjançant un electroencefalograma, va convèncer a Sestan que "aquest cervell no està preocupat per res". És possible que el cervell aïllat de l'animal estigués en coma, cosa que, en particular, es podria veure facilitada pels components de la solució rentant-lo.

Els autors no revelen els detalls de l'experiment: estan preparant una publicació en una revista científica. No obstant això, fins i tot l'informe de Sestan, pobre en detalls, va despertar un gran interès i moltes especulacions sobre el desenvolupament posterior de la tecnologia. Sembla que conservar el cervell no és molt més difícil tècnicament que conservar qualsevol altre òrgan per al trasplantament, com el cor o el ronyó.

Això vol dir que teòricament és possible preservar el cervell humà en un estat més o menys natural.

Els cervells aïllats podrien ser un bon model, per exemple, per a la investigació de fàrmacs: després de tot, les restriccions reguladores existents s'apliquen a les persones vives, i no als òrgans individuals. Tanmateix, des d'un punt de vista ètic, sorgeixen moltes preguntes aquí. Fins i tot la qüestió de la mort cerebral segueix sent una "zona grisa" per als investigadors; malgrat l'existència de criteris mèdics formals, hi ha una sèrie de condicions similars, a partir de les quals encara és possible tornar a l'activitat de la vida normal. Què podem dir de la situació quan afirmem que el cervell continua viu. Què passa si el cervell, aïllat del cos, continua conservant alguns o tots els trets de la personalitat? Aleshores, és molt possible imaginar la situació descrita al principi de l'article.

Imatge
Imatge

On s'amaga la consciència

Malgrat que fins als anys 80 del segle XX hi havia partidaris de la teoria del dualisme, que separa l'ànima del cos, entre els científics, en el nostre temps fins i tot els filòsofs que estudien la psique coincideixen que tot allò que anomenem consciència es genera. pel cervell material (història La pregunta es pot llegir amb més detall, per exemple, en aquest capítol Where is Consciousness: History of the Issue and Prospects of Search del llibre del premi Nobel Eric Kandel "In Search of Memory").

A més, amb tècniques modernes com la ressonància magnètica funcional, els científics poden rastrejar quines àrees del cervell s'activen durant exercicis mentals específics. No obstant això, el concepte de consciència en el seu conjunt és massa efímer, i els científics encara no estan d'acord sobre si està codificat per un conjunt de processos que tenen lloc al cervell, o si determinats correlats neuronals en són els responsables.

Com diu Kandel al seu llibre, en pacients amb hemisferis cerebrals separats quirúrgicament, la consciència es divideix en dos, cadascun dels quals percep una imatge independent del món.

Aquests i casos similars de la pràctica neuroquirúrgica indiquen almenys que per a l'existència de la consciència no es requereix la integritat del cervell com a estructura simètrica. Alguns científics, inclòs el descobridor de l'estructura de l'ADN Francis Crick, que al final de la seva vida es va interessar per la neurociència, creuen que la presència de la consciència està determinada per estructures específiques del cervell.

Potser aquests són certs circuits neuronals, o potser el punt està en les cèl·lules auxiliars del cervell: els astròcits, que en els humans, en comparació amb altres animals, són força especialitzats. D'una manera o altra, els científics ja han arribat al punt de modelar estructures individuals del cervell humà in vitro (“in vitro”) o fins i tot in vivo (com a part del cervell dels animals).

Despertar-se en un bioreactor

No se sap fins a quin punt es faran experiments amb cervells sencers extrets del cos humà: primer, els neurocientífics i els experts en ètica han de posar-se d'acord sobre les regles del joc. No obstant això, als laboratoris de plaques de Petri i bioreactors, l'augment de cultius de cervell humà tridimensional ja està creixent "mini-cervells" que imiten l'estructura del cervell humà "gran" o les seves parts específiques.

Imatge
Imatge

En el procés de desenvolupament de l'embrió, els seus òrgans es formen fins a determinades etapes segons algun programa inherent als gens segons el principi d'autoorganització. El sistema nerviós no és una excepció. Els investigadors van trobar que si s'indueix la diferenciació en cèl·lules del teixit nerviós en el cultiu de cèl·lules mare amb l'ajuda de determinades substàncies, això condueix a reordenacions espontànies en el cultiu cel·lular, similars a les que es produeixen durant la morfogènesi del tub neural embrionari.

Les cèl·lules mare induïdes d'aquesta manera "per defecte" es diferencien en última instància en neurones de l'escorça cerebral, però, afegint molècules de senyalització des de l'exterior a una placa de Petri, per exemple, es poden obtenir cèl·lules del mesencefalo, estriat o medul·la espinal. Va resultar que un mecanisme intrínsec de la corticogènesi a partir de cèl·lules mare embrionàries es pot cultivar en un plat, un autèntic còrtex, igual que al cervell, format per diverses capes de neurones i que conté astròcits auxiliars.

És evident que les cultures bidimensionals representen un model molt simplificat. El principi d'autoorganització del teixit nerviós va ajudar els científics a passar ràpidament a estructures tridimensionals anomenades esferoides i orgànuls cerebrals. El procés d'organització dels teixits pot estar influenciat per canvis en les condicions inicials, com ara la densitat inicial del cultiu i l'heterogeneïtat cel·lular, i per factors exògens. Modulant l'activitat de determinades cascades de senyalització, fins i tot és possible aconseguir la formació d'estructures avançades en l'organoide, com la copa òptica amb l'epiteli de la retina, que reacciona la diversitat cel·lular i la dinàmica de xarxa en organoides fotosensibles del cervell humà a la llum.

Imatge
Imatge

L'ús d'un vas especial i el tractament amb factors de creixement van permetre als científics obtenir de manera intencionada el modelatge del desenvolupament cortical humà in vitro mitjançant cèl·lules mare pluripotents induïdes: un organoide cerebral humà corresponent al cervell anterior (hemisferis) amb un còrtex, el desenvolupament del qual, a jutjar per l'expressió de gens i marcadors, correspon al primer trimestre del desenvolupament fetal…

I els científics de Stanford, dirigits per Sergiu Pasca, han desenvolupat neurones corticals funcionals i astròcits a partir de cèl·lules mare pluripotents humanes en cultiu 3D, una manera de fer créixer grups que imiten el prosencèfal directament en una placa de Petri. La mida d'aquests "cervells" és d'uns 4 mil·límetres, però després de 9-10 mesos de maduració, les neurones corticals i els astròcits d'aquesta estructura corresponen al nivell de desenvolupament postnatal, és a dir, al nivell de desenvolupament del nadó immediatament després del naixement.

És important destacar que les cèl·lules mare per fer créixer aquestes estructures es poden extreure de persones específiques, per exemple, de pacients amb malalties del sistema nerviós determinades genèticament. I els avenços de l'enginyeria genètica suggereixen que aviat els científics podran observar in vitro el desenvolupament del cervell d'un neandertal o denisovà.

El 2013, investigadors de l'Institut de Biotecnologia Molecular de l'Acadèmia de Ciències d'Àustria van publicar un article Els organoides cerebrals modelen el desenvolupament del cervell humà i la microcefàlia, que descriuen el cultiu d'un "cervell en miniatura" a partir de dos tipus de cèl·lules mare en un bioreactor, que imita el estructura de tot el cervell humà.

Les diferents zones de l'organoide corresponien a diferents parts del cervell: posterior, mitjà i anterior, i el "prosencèfal" fins i tot va mostrar una major diferenciació en lòbuls ("hemisferis"). És important destacar que en aquest mini-cervell, que tampoc superava uns quants mil·límetres de mida, els científics van observar signes d'activitat, en particular fluctuacions en la concentració de calci a l'interior de les neurones, que serveixen com a indicador de la seva excitació (pots llegir en detall. sobre aquest experiment aquí).

L'objectiu dels científics no només era reproduir l'evolució del cervell in vitro, sinó també estudiar els processos moleculars que condueixen a la microcefàlia, una anomalia del desenvolupament que es produeix, en particular, quan un embrió s'infecta amb el virus Zika. Per això, els autors del treball han fet créixer el mateix mini-cervell a partir de les cèl·lules del pacient.

Imatge
Imatge

Malgrat els impressionants resultats, els científics estaven convençuts que aquests orgànuls eren incapaços d'adonar-se de res. En primer lloc, el cervell real conté uns 80.000 milions de neurones i l'organoide crescut conté diversos ordres de magnitud menys. Per tant, un mini-cervell simplement no és físicament capaç de realitzar plenament les funcions d'un cervell real.

En segon lloc, a causa de les peculiaritats del desenvolupament "in vitro", algunes de les seves estructures es van localitzar de manera força caòtica i van formar connexions incorrectes i no fisiològiques entre elles. Si el mini-cervell pensava alguna cosa, era clarament una cosa inusual per a nosaltres.

Per tal de resoldre el problema de la interacció dels departaments, els neurocientífics han proposat modelar el cervell a un nou nivell, que s'anomena "assemblatges". Per a la seva formació, primer es cultiven orgànuls per separat, corresponents a parts individuals del cervell, i després es fusionen.

Aquest enfocament, els científics van utilitzar l'Assemblea d'esferoides del cervell anterior humà integrats funcionalment per estudiar com s'incorporen a l'escorça les anomenades interneurones, que apareixen després de la formació de la major part de les neurones per migració des del cervell anterior adjacent. Els assemblatges obtinguts de dos tipus de teixit nerviós han permès estudiar les alteracions de la migració de les interneurones en pacients amb epilèpsia i autisme.

Despertar-se en el cos d'una altra persona

Fins i tot amb totes les millores, les capacitats del cervell en un tub estan greument limitades per tres condicions fonamentals. En primer lloc, no tenen un sistema vascular que els permeti lliurar oxigen i nutrients a les seves estructures internes. Per aquest motiu, la mida dels mini-cervells està limitada per la capacitat de les molècules de difondre's a través del teixit. En segon lloc, no tenen un sistema immunitari, representat per cèl·lules microglials: normalment aquestes cèl·lules migren al sistema nerviós central des de l'exterior. En tercer lloc, una estructura que creix en solució no té un microambient específic proporcionat pel cos, la qual cosa limita el nombre de molècules de senyalització que hi arriben. La solució a aquests problemes podria ser la creació d'animals model amb cervells quimèrics.

El treball recent Un model in vivo d'organoides cerebrals humans funcionals i vascularitzats de científics nord-americans de l'Institut Salk sota la direcció de Fred Gage descriu la integració d'un orgànul cerebral humà (és a dir, un mini-cervell) al cervell d'un ratolí.. Per fer-ho, els científics van inserir primer el gen d'una proteïna fluorescent verda a l'ADN de les cèl·lules mare perquè es pogués observar el destí del teixit nerviós en desenvolupament mitjançant la microscòpia. Es van cultivar organoides a partir d'aquestes cèl·lules durant 40 dies, que després es van implantar en una cavitat de l'escorça retrosplenal d'un ratolí immunodeficient. Tres mesos després, en el 80 per cent dels animals, l'implant va arrelar.

Els cervells quimèrics dels ratolins es van analitzar durant vuit mesos. Va resultar que l'organoide, que es podia distingir fàcilment per la luminescència d'una proteïna fluorescent, es va integrar amb èxit, va formar una xarxa vascular ramificada, va fer créixer axons i va formar sinapsis amb els processos nerviosos del cervell hoste. A més, les cèl·lules de la microglia s'han mogut de l'hoste a l'implant. Finalment, els investigadors van confirmar l'activitat funcional de les neurones: van mostrar activitat elèctrica i fluctuacions del calci. Així, el "mini-cervell" humà va entrar completament en la composició del cervell del ratolí.

Imatge
Imatge

Sorprenentment, la integració d'un tros de teixit nerviós humà no va afectar el comportament dels ratolins experimentals. En una prova d'aprenentatge espacial, els ratolins amb cervells quimèrics van fer el mateix que els ratolins normals, i fins i tot tenien pitjor memòria; els investigadors ho van explicar pel fet que per a la implantació van fer un forat a l'escorça cerebral.

No obstant això, l'objectiu d'aquest treball no era obtenir un ratolí intel·ligent amb consciència humana, sinó crear un model in vivo d'orgànuls cerebrals humans equipats amb una xarxa vascular i un microentorn per a diversos propòsits biomèdics.

Un experiment d'un tipus completament diferent es va realitzar mitjançant l'empelt del cervell anterior per part de cèl·lules progenitores glials humanes que millora la plasticitat sinàptica i l'aprenentatge en ratolins adults per part dels científics del Centre de Neuromedicina Translacional de la Universitat de Rochester el 2013. Com s'ha esmentat anteriorment, les cèl·lules cerebrals accessories humanes (astròcits) són molt diferents de les d'altres animals, en particular dels ratolins. Per aquest motiu, els investigadors suggereixen que els astròcits tenen un paper important en el desenvolupament i manteniment de les funcions del cervell humà. Per provar com es desenvoluparia un cervell quimèric de ratolí amb astròcits humans, els científics van plantar precursors de cèl·lules auxiliars al cervell dels embrions de ratolí.

Va resultar que en un cervell quimèric, els astròcits humans funcionen tres vegades més ràpid que els ratolins. A més, els ratolins amb cervells quimèrics van resultar ser significativament més intel·ligents del que és habitual en molts aspectes. Van ser més ràpids per pensar, aprendre millor i navegar pel laberint. Probablement, els ratolins quimèrics no pensaven com les persones, però, potser, podien sentir-se en una etapa diferent d'evolució.

Tanmateix, els rosegadors estan lluny de ser models ideals per estudiar el cervell humà. El fet és que el teixit nerviós humà madura segons algun rellotge molecular intern i la seva transferència a un altre organisme no accelera aquest procés. Tenint en compte que els ratolins només viuen dos anys i que la formació completa d'un cervell humà triga un parell de dècades, no es pot estudiar cap procés a llarg termini en el format d'un cervell quimèric. Potser el futur de la neurociència encara pertany als cervells humans als aquaris: per esbrinar fins a quin punt és ètic, els científics només han d'aprendre a llegir la ment, i la tecnologia moderna sembla que serà capaç de fer-ho aviat.

Recomanat: