Kā pētnieki pētot cilvēka smadzenes atrauti no ķermeņa
Formēšana / / December 19, 2019
Žurnālā Nature publicējaĒtika eksperimentējot ar cilvēka smadzeņu audiem robin 17 vadošās neirozinātnēs, kur zinātnieki pārrunāja progresu attīstības cilvēka smadzeņu modeļiem. Bažas par ekspertu ir šādi: iespējams, ka tuvākajā nākotnē modelis būs tik uzlabotas, ka viņi spēlē ne tikai struktūru, bet arī cilvēka smadzeņu funkcijas.
Vai ir iespējams izveidot "in vitro" gabals nervu audiem, ir apziņa? Zinātnieki zina smadzeņu struktūru dzīvniekus ļoti detalizēti, bet tas nav atrasts līdz šim, kādas struktūras "Kodēt" prāts un kā mērīt savu klātbūtni, kad runa ir par izolētu smadzenēm vai tamlīdzīgi.
Smadzeņu akvāriju
"Iedomājieties, ka jūs pamodās nomaļā izolācijas tvertne - apkārt nav gaismas, nav skaņas, ne ārējiem stimuliem. Tikai jūsu apziņa, karājas tukšumā. "
Šis attēls pārstāvēt sevi eksperti ētikas, komentējot paziņojumu no Jēlas universitātes neirologs Nenad Sestao (Nenad Sestan) viņa komanda pārvalda 36 stundu laikā, lai saglabātu izolēta cūku smadzenes "dzīvi" stāvoklis.
ziņaPētnieki tur cūku smadzenes dzīvs ārpus ķermeņa
veiksmīgs eksperiments tika veikts sanāksmē Ētikas National Institutes of Health komitejas beigās šā gada martā. Saskaņā ar zinātnieks, izmantojot sūkņa sistēmu ar apsildāmiem nosaukumu BrainEx un sintētiskais aizstājējs asinis, atbalstīts pētnieki šķidruma cirkulācija un skābekļa piegāde simtiem dzīvnieku izolētām smadzenes, nonāvēts kautuvi pāris stundām pirms eksperimentēt.Spriežot pēc saglabāšanas darbības miljardu atsevišķu neironu struktūras palika dzīvs. Tomēr zinātnieki nevar pateikt, vai konservēti cūkgaļas smadzenes, izvietotas ar "akvārija", pazīmes apziņas. Elektrisko aktivitātes trūkums, pierādīta standarta metode, izmantojot elektroencefalogrāfija, Sestao pārliecināts, ka "smadzenes vai nu nav noraizējies par kaut ko." Tas ir iespējams, ka viens atsevišķs dzīvnieks smadzeņu tādā komas stāvoklī, kas, jo īpaši, varētu veicināt mazgāšanas komponentus tās risinājumu.
Sīkāka informācija par autoru neatklāj eksperimentu - viņi gatavojas publikāciju zinātniskajā žurnālā. Tomēr, pat trūcīgajām Sestao ziņot par to, izraisīja lielu interesi un daudz spekulācijas par turpmākā tehnoloģijas attīstība. Acīmredzot, saglabāšana smadzeņu nav tehniski daudz grūtāk, nekā jebkura cita orgāna saglabāšanas transplantācijas, piemēram, sirds vai nieru substrātiem.
Tas nozīmē, ka, teorētiski, var uzglabāt vairāk vai mazāk dabiskā stāvoklī un cilvēka smadzenēm.
Izolētas smadzenes varētu būt labs paraugs, piemēram, pētījumā narkotiku: jo esošie normatīvie ierobežojumi attiecas uz cilvēkiem, nevis uz atsevišķiem orgāniem. Tomēr, no ētikas viedokļa, tas rada daudz jautājumu. Pat jautājums par smadzeņu nāves paliek par "pelēko zonu", lai pētniekiem - neraugoties uz formālu medicīniskie kritēriji, pastāv vairākas līdzīgas valstis, no kura atgriešanās normālā dzīvē vairāk iespējams. Ko mēs varam teikt par situāciju, kad mēs sakām, ka smadzenes vēl ir dzīvs. Ko darīt, ja izolēta no korpusa smadzenes turpina jātur sevi visu vai kādu no pazīmēm identitāti? Tad ir iespējams iedomāties situāciju aprakstīts iepriekš šajā rakstā.
Kur apziņa meli
Neskatoties uz to, ka līdz pat 80-to gadu XX gadsimta pastāvēja starp zinātnieku advokātu teorijas duālistiskā kas atdala dvēseli no ķermeņa, mūsu laikā, pat filozofi, veltīta pētījuma psihi, mēs piekrītam, ka viss, ko mēs saucam apziņa ģenerē materiāla smadzenēs (vēsture jautājumu var lasīt sīkāk, piemēram, šajā nodaļāKur ir apziņa: fons un pētniecības perspektīvas no grāmatas ar Nobela prēmijas laureāta Eric Kandel "In Search of Memory").
Turklāt ar mūsdienu metodēm, piemēram, funkcionālās magnētiskās rezonanses attēlveidošanu, zinātnieki var redzēt, kāda veida smadzeņu daļās, tiek aktivizēti izpildes īpaša garīgās laikā vingrinājumi. Tomēr jēdziens apziņas kopumā ir pārāk īslaicīgi, un zinātnieki vēl nav vienojušies, vai tas ir procesu kopums, kas notiek smadzenēs, vai arī tas ir kodēts jāatbilst noteiktiem nervu atstumtība.
Tā stāsta savā grāmatā, Kandel, pacientiem ar ķirurģiski atdala puslodes smadzeņu apziņas, jo tā tika sadalīta divās, no kuriem katrs saņem neatkarīgu skatījumu uz pasauli.
Šie un līdzīgi gadījumi neiroķirurģijas praksē liecina vismaz par to, ka nav nepieciešams, pastāv apziņas smadzeņu integritātes kā simetrisku struktūru. Daži zinātnieki, tostarp atklājējs struktūru DNS, Francis Crick, kurš beigās dzīve kļuva interesē neirozinātnes, tiek uzskatīts, ka klātbūtne apziņas nosaka konkrētās struktūras smadzenēs.
Varbūt tas ir droši nervu ķēde, un var būt gadījums atbalstam smadzeņu šūnās - astrocytesŠī persona ir, salīdzinot ar citiem dzīvniekiem, tas ir diezgan specializējies. Jebkurā gadījumā, pirms modelēšana atsevišķu cilvēku smadzeņu struktūru in vitro ( "In vitro"), vai pat in vivo (Kā daļu no dzīvnieku smadzeņu) zinātnieki jau ir sasniegts.
Wake up bioreaktorā
Nav zināms, cik drīz vien runa ir par eksperimentiem ar veseliem kas iegūta no cilvēka ķermeņa smadzenes - pirmajiem speciālistiem neiroloģijas un ētikas jāvienojas par spēles noteikumiem. Tomēr, jo laboratorijās Petri trauciņos un bioreaktoru jau tiek audzētasPieaugums trīs-dimensiju cilvēka smadzeņu kultūrām "Mini-smadzenes", kas atdarina struktūra "lielo" cilvēka smadzenēs vai konkrētu nodaļu.
embrionālo attīstību tās orgānu laikā tiek veidotas saskaņā ar noteiktiem posmiem konkrētu gēnu iegulto programmā atbilstoši pašorganizācijas principa. Nav izņēmums un nervu sistēmu. Pētnieki atklāja, ka tad, ja kultūra cilmes šūnas izmanto noteiktas vielas, lai izraisītu diferenciāciju nervu šūnās audu, tas noved pie spontānas pārkārtojumi šūnu kultūrā, līdzīgi tiem, kas rodas nervu caurulītes morfoģenēzes laikā embriju.
"Default" izraisīta šādā veidā cilmes šūnas diferencēt nonākt garozā neironiem smadzenes, bet, pievienojot ārējo signalizācijas molekulas Petri traukā var pagatavot, piemēram, šūnas vidussmadzenēs, striatum vai muguras smadzenes. Izrādījās, ka kauss var audzētBūtiska mehānisms corticogenesis no embrionālās cilmes šūnas šis mizu, kā arī smadzenēs, kas sastāv no vairākiem slāņiem neironu un astrocytes, kas satur palìgvielas.
Ir skaidrs, ka divdimensiju kultūras ir ļoti vienkāršoti modeli. Par pašorganizēšanās nervu audiem princips ir palīdzējusi zinātniekiem, lai ātri pārietu uz trīsdimensiju struktūru sauc organellām sferoīdi un cerebrālā. Par procesa organizēšanas audos var ietekmēt izmaiņas sākotnējos apstākļos, piemēram, sākotnējo blīvumu kultūras un neviendabīgumu šūnu, un ārēji faktori. Modulējot noteiktu signalizēšanas ceļiem, jūs pat varat sasniegt veidošanos Organelle uzlabotas struktūras, piemēram, optisko kauss ar tīklenes epitēlija, atsaucīgiCell daudzveidību un tīkla dinamika gaismjutīgas cilvēka smadzenēm organoids uz gaismas.
Izmantojot speciālus apstrādes kuģu un izaugsmes faktoru ļāva zinātniekiem saņemt virzītiModelēšana cilvēka garozas attīstību in vitro izmantojot inducēto pluripotento cilmes šūnas cilvēka smadzeņu organoid atbilstošo priekšnojauta (puslodes) mizas, kuru attīstību, saskaņā ar gēnu, un marķieri atbilst pirmajai trimestrī augļa attīstību.
A zinātnieki no Stenfordas noveda Serghiou Pask (Sergiu Pasca) izstrādājusiFunkcionālās garozas neironiem un astrocytes no cilvēka pluripotento cilmes šūnas 3D kultūrā veids, kā augt graudos, kas imitē priekšnojauta tieši Petri trauciņā. Šādu "smadzenes", apmēram 4 milimetriem, bet pēc 9-10 mēnešu nogatavināšanas garozas neironiem un astrocytes atbilst šajā struktūrā lielumaCilvēka Astrocyte Nogatavināšana Uzņemtie 3D cerebrālo garozas sferoīdi atvasināts no pluripotento mātes šūnu pēcdzemdību attīstības līmeni, ti līmeņa attīstības bērnu uzreiz pēc dzimšanas.
Svarīgi, ka cilmes šūnas augt šīs struktūras var veikt pie konkrētām personām, piemēram, pacientiem ar ģenētiski nosaka slimības, nervu sistēmas. Ģenētiskie inženierija panākumi liecina, ka zinātnieki drīz varēs novērot in vitro attīstība Neanderthal smadzeņu vai denisovtsa.
2013. gadā zinātnieki no institūta Molekulārās biotehnoloģijas Austrijas Zinātņu akadēmijas publicēja grāmatuCerebrālā organoids modelis cilvēka smadzeņu attīstību un mikrocefālijaRaksturojot audzēšanu bioreaktoru divu veidu cilmes šūnas, "smadzenes miniatūrā", imitējot struktūru cilvēka smadzenēm kopumā.
Organelle dažādas zonas atbilst dažādām smadzeņu: muguras, vidējā un priekšējā un "priekšnojauta", pat parādīja turpmāku diferenciāciju vērā akcijas ( "puslodes"). Kas ir svarīgi, šajā mini-smadzenēm, kura apmērs ir ne vairāk kā pāris milimetriem, pētnieki novēroja darbības pazīmes, īpaši svārstības kalcija koncentrāciju robežās neironi, kuri liecina par to uzbudinājuma (sīkāku informāciju par šo eksperimentu izlasītu var šeit).
Zinātnieku mērķis ir ne tikai reproducēt attīstību smadzeņu in vitroBet arī pētīt molekulāro procesus, kas veicina mikrocefālija - attīstības anomāliju, kas rodas jo īpaši infekcija embriju Zika vīrusa laikā. Par šo darbu autori izvirzīja to pašu mini-smadzenes no pacienta šūnām.
Neskatoties uz iespaidīgo rezultātu, pētnieki bija pārliecināti, ka šādi organoīdi nespēj realizēt neko. Pirmkārt, šajā smadzenēs ir apmēram 80 miljardi neironu un to organoīdi pieaudzis par kārtām mazāks. Tādējādi, mini-smadzenes vienkārši nav fiziski spējīgs pilnībā pildīt funkcijas smadzenēs.
Otrkārt, sakarā ar raksturu "in vitro" dažas tās struktūru atradās diezgan haotiska un neregulāras formas, kas nav fizioloģiskas sakarus ar otru. Ja mini-smadzeņu kaut ko, un domāju, ka tas noteikti bija kaut kas neparasts, lai mums.
Lai risinātu šo problēmu, mijiedarbību starp departamentiem, neirozinātnēs ir ierosināts modeļa smadzeņu jaunā līmenī, kas tika nosaukts "assembloidy". Par to veidošanās pirmais audzēts atsevišķi organellās atbilst atsevišķas porcijas smadzenēs, un pēc tam tie tiek kausēts.
Šī pieeja, zinātnieki izmantojaAsambleja funkcionāli integrēto cilvēka priekšnojauta sferoīdu mācīties, kā garoza iebūvētu tā sauktos interneurons, kas parādās pēc veidošanos neiesaiņotu neironiem ar migrāciju no kaimiņos priekšnojauta. Assembloidy atvasināts no divu veidu nervu audiem, atļauts pārbaudīt no interneuron migrācijas pārkāpumus pacientiem ar epilepsiju un autisms.
Pamostieties kāds cits ķermeni
Pat ar visiem uzlabojumiem iespējams "smadzeņu in vitro" nopietni ierobežoja trīs būtiski nosacījumi. Pirmkārt, tie nav asinsvadu sistēmu, kas ļauj piegādi skābekļa un barības vielu uz iekšējo struktūru. Šī iemesla dēļ, izmērs mini smadzenēm ir ierobežota difūziju molekulas caur audiem. Otrkārt, viņi nav imūnsistēmu, ko microglial šūnas: normālas, šīs šūnas migrē uz centrālo nervu sistēmu no ārpuses. Treškārt, šajā struktūrā, palielinot šķīdumā, nav īpaša mikrovidi organismā, kas ierobežo skaitu signalizācijas molekulas ievadot to sniegta. Risinājums šīm problēmām būtu izveidot himēra dzīvnieku modelis smadzenes.
Jaunākajā darbā in vivo modelis funkcionālo un apasiņotus cilvēka smadzeņu organoids Amerikāņu zinātnieki no Salk vadīja Fred Gage (Fred Gage) to apraksta integrāciju cilvēka smadzeņu Organelle (ti, mini-smadzeņu) peļu smadzenēs. Lai to izdarītu, pētnieki vispirms iebūvēts DNS cilmes šūnu gēnu zaļā fluorescējošā proteīna uz likteni jaunattīstības nervu audiem varētu ievērot ar mikroskopu. No šīm šūnām tika audzētas 40 dienas organellām ka pēc implantācijai dobumu retrosplenial garozas imunodeficīts pele. Pēc trim mēnešiem, 80 procenti no dzīvnieku nozvejotas implantu.
Himēriska peles smadzenes tika analizēti astoņus mēnešus. Tika konstatēts, ka organellās, ko var viegli atšķirt ar mirdzumu ar fluorescējošu proteīnu, veiksmīgi integrēti, veidojas plašs asinsvadu sistēma, tad axons auga un veidojas sinapsēm ar nervu procesu maģistra smadzenes. Turklāt, no uzņēmēja stāšanās implanta pārcēlās microglial šūnas. Visbeidzot, pētnieki apstiprināja funkcionālo aktivitāti neironu - tie parādīja elektrisko aktivitāti un kalcija svārstības. Tādējādi cilvēka "mini-smadzeņu" pilnībā kļuva par daļu no peles smadzenēm.
Surprisingly, neietekmē uzvedību eksperimentālās pelēs integrācijai cilvēka nervu audu gabalu. In testa telpiskā mācīšanās himēriska peļu smadzeņu parādīja tos pašus rezultātus, ka normālas pelēm, un atšķīrās vēl sliktāk atmiņa - zinātnieki izskaidro ar faktu, ka viņi ir darījuši, lai implantāciju caurumu mizas puslodes.
Tomēr šī darba mērķis bija nesaņemu gudra pele ar cilvēka apziņu un izveidi in vivo cerebrālās organellām personas modelis ir aprīkots ar tīklu kuģi un mikrovides dažādu biomedicīnas lietojumiem.
Eksperiments bija pavisam cita veida liktsPriekšnojauta šūnu transplantācija cilvēka glijas cilmes šūnu uzlabo sinaptiskā plastiskumu un mācīšanās pieaugušo pelēm Zinātnieki no centra praktisko neyromeditsiny Universitāte Rochester 2013.. Kā jau iepriekš minēts, papildu smadzeņu šūnas (astrocytes) Cilvēka atšķiras no citām dzīvnieku šūnām, īpaši pelēm. Šī iemesla dēļ, pētnieki norāda, ka astrocytes ir svarīga loma attīstībā un uzturēšanā cilvēka smadzeņu funkcijas. Lai pārbaudītu, kā attīstīt himèrisko pele ar cilvēka smadzeņu astrocytes, zinātnieki ir novietoti priekšteči aksesuāru šūnas smadzenēs peles embrijiem.
Izrādījās, ka ar himērisko cilvēka smadzeņu astrocytes strādāt trīs reizes ātrāk nekā peli. Turklāt himēriska pelēm ar smadzenēm ir daudz gudrāki, nekā vidēji daudzos aspektos. Viņi domā ātri, labāk apmācīti un koncentrējās labirintā. Iespējams himēro pelēm nedomāja, piemēram, cilvēki, bet, iespējams, ir bijusi iespēja sajust nākamo posmu attīstību.
Tomēr, lai pētījumu par cilvēka smadzeņu grauzējiem tālu no ideāla modeļa. Fakts, ka cilvēka nervu audu nobriešanu saskaņā ar dažiem iekšējā molekulāro pulksteni, un nodot to citā organismā nav paātrināt šo procesu. Ņemot vērā, ka pelēm dzīvoja tikai divus gadus, un kopējais veidošanās cilvēka smadzenēm aizņem pāris gadu desmitus, kādi ilgtermiņa procesus formātā himēriska smadzeņu studiju neiespējamu. Varbūt nākotne neiroloģijas joprojām ārpus cilvēka smadzenes akvārijiem - lai uzzinātu, kā tas ir neētiski, zinātnieki vienkārši jāiemācās lasīt prātus, un modernās tehnoloģijas, šķiet, drīz to atļauj darīt.
skatīt arī
- 8 domāja eksperimentus, kas padara jūs domājat →
- 4 jautājumiem, lai palīdzētu sākt interesanta saruna →
- Kā atšķetināt noslēpumus smadzeņu un mācīties vadīt tā: 15 noderīgas grāmatas →