Sebagai peneliti mempelajari otak manusia dalam isolasi dari tubuh

Jurnal Nature diterbitkanEtika bereksperimen dengan jaringan otak manusia robin 17 ahli saraf terkemuka, di mana para ilmuwan membahas kemajuan dalam pengembangan model otak manusia. Kekhawatiran para ahli adalah sebagai berikut: kemungkinan dalam waktu dekat model akan begitu maju bahwa mereka akan bermain tidak hanya struktur tetapi juga fungsi-fungsi otak manusia.

Apakah mungkin untuk membuat "in vitro" sepotong jaringan saraf, memiliki kesadaran? Para ilmuwan mengetahui struktur otak hewan dengan sangat rinci, tetapi tidak ditemukan sampai sekarang, apa jenis struktur "Encode" pikiran dan bagaimana mengukur kehadirannya ketika datang ke otak terisolasi atau sejenisnya.

Otak di akuarium

"Bayangkan Anda bangun di sebuah tangki isolasi terisolasi - sekitar tidak ada cahaya, tidak ada suara, tidak ada rangsangan eksternal. Hanya kesadaran Anda, tergantung di kekosongan. "

Gambar ini mewakili diri mereka sendiri ahli tentang etika, mengomentari pernyataan dari Yale University neuroscientist Nenad Sestao (Nenad Sestan) yang timnya berhasil dalam waktu 36 jam untuk menjaga otak babi terisolasi di "hidup" kondisi.

pesanPara peneliti menjaga otak babi hidup di luar tubuh Percobaan yang berhasil dibuat pada pertemuan Komite Etik dari National Institutes of Health pada akhir Maret tahun ini. Menurut ilmuwan, menggunakan sistem pompa dengan dipanaskan berjudul BrainEx dan pengganti sintetis untuk darah, para peneliti didukung sirkulasi cairan dan suplai oksigen ke ratusan hewan terisolasi otak, dihukum mati di rumah jagal dalam beberapa jam sebelum bereksperimen.

Dilihat oleh aktivitas konservasi miliaran neuron individu, badan tetap hidup. Namun, para ilmuwan tidak bisa mengatakan apakah otak daging babi diawetkan, ditempatkan di "akuarium", tanda-tanda kesadaran. Tidak adanya aktivitas listrik, metode standar yang terbukti menggunakan electroencephalogram, Sestao yakin bahwa "otak baik tidak khawatir tentang apa pun." Ada kemungkinan bahwa otak hewan yang terisolasi dalam keadaan koma, yang, khususnya, dapat memberikan kontribusi untuk mencuci komponen solusinya.

Rincian penulis tidak mengungkapkan percobaan - mereka sedang mempersiapkan publikasi dalam jurnal ilmiah. Namun demikian, bahkan di bagian miskin Sestao melaporkannya membangkitkan minat besar dan banyak spekulasi tentang pengembangan lebih lanjut dari teknologi. Rupanya, pelestarian otak tidak secara teknis jauh lebih sulit daripada pelestarian organ lain untuk transplantasi, seperti jantung atau ginjal.

Ini berarti bahwa, secara teoritis, dapat disimpan dalam keadaan kurang lebih alami dan otak manusia.

Otak terisolasi bisa menjadi model yang baik, misalnya, untuk studi obat: karena pembatasan peraturan yang ada berlaku untuk manusia, dan bukan pada organ individu. Namun, dari sudut pandang etika, ini menimbulkan banyak pertanyaan. Bahkan isu kematian otak tetap menjadi "zona abu-abu" bagi para peneliti - meskipun adanya formal kriteria medis, ada sejumlah negara yang sama dari yang kembali ke kehidupan normal lebih mungkin. Apa yang bisa kita katakan tentang situasi, ketika kita mengatakan bahwa otak masih hidup. Bagaimana jika terisolasi dari tubuh otak terus disimpan dalam dirinya sendiri semua atau sebagian dari tanda-tanda identitas? Maka adalah mungkin untuk membayangkan situasi yang dijelaskan sebelumnya dalam artikel ini.

Dimana kesadaran kebohongan

Terlepas dari kenyataan bahwa hingga 80-ies abad XX ada di antara para ilmuwan pendukung teori dualisme yang memisahkan jiwa dari tubuh, di zaman kita, bahkan filsuf, dikhususkan untuk mempelajari kejiwaan, kita setuju bahwa semua kesadaran yang kita sebut dihasilkan oleh otak materi (sejarah masalah dapat dibaca secara lebih detail, misalnya, dalam bab iniDimana kesadaran: latar belakang dan perspektif penelitian dari buku oleh pemenang Nobel Eric Kandel "In Search of Memory").

Selain itu, dengan teknik saat ini, seperti functional magnetic resonance imaging, para ilmuwan dapat melihat apa jenis area otak yang diaktifkan selama pelaksanaan spesifik jiwa latihan. Namun demikian, konsep kesadaran secara keseluruhan terlalu singkat, dan ilmuwan masih belum sepakat apakah itu adalah satu set proses yang terjadi di otak, atau dikodekan bertemu tertentu berkorelasi saraf.

Ini memberitahu dalam bukunya, Kandel, pada pasien dengan belahan pembedahan dipisahkan dari kesadaran otak, karena dibagi menjadi dua, masing-masing menerima pandangan independen di dunia.

Ini dan yang sejenis kasus praktek bedah saraf menunjukkan setidaknya fakta bahwa keberadaan kesadaran integritas otak sebagai struktur simetris tidak diperlukan. Beberapa ulama, termasuk penemu struktur DNA, Francis Crick, yang pada akhir kehidupan menjadi tertarik dalam ilmu saraf, diyakini bahwa kehadiran kesadaran ditentukan oleh struktur tertentu dalam otak.

Mungkin rantai saraf tertentu, dan dapat menjadi kasus dalam mendukung sel-sel otak - astrositBahwa seseorang telah, dibandingkan dengan hewan lain, itu cukup khusus. Pokoknya, sebelum pemodelan struktur otak manusia individual in vitro ( "In vitro"), atau bahkan in vivo (Sebagai bagian dari otak hewan) ilmuwan telah tercapai.

Bangun dalam bioreaktor

Tidak diketahui seberapa cepat datang ke eksperimen secara keseluruhan otak diekstrak dari tubuh manusia - spesialis pertama dalam ilmu saraf dan etika harus setuju pada aturan permainan. Namun demikian, di laboratorium dalam cawan Petri dan bioreaktor sudah sedang tumbuhMunculnya budaya otak manusia tiga dimensi "Mini-otak" yang meniru struktur "besar" otak manusia atau departemen tertentu.

Selama perkembangan embrio dari organ yang dibentuk sesuai dengan tahapan tertentu gen tertentu yang melekat pada program sesuai dengan prinsip self-organisasi. Tidak terkecuali dan sistem saraf. Para peneliti menemukan bahwa jika budaya sel induk menggunakan zat tertentu untuk menginduksi diferensiasi menjadi sel-sel saraf jaringan, lead ini untuk penyusunan ulang spontan dalam kultur sel, mirip dengan yang terjadi selama neural tube morfogenesis embrio.

"Default" diinduksi dengan cara ini sel-sel induk membedakan berakhir di neuron korteks otak, tetapi dengan menambahkan molekul sinyal eksternal dalam cawan petri dapat disiapkan, misalnya, sel-sel otak tengah, striatum atau sumsum tulang belakang. Ternyata dalam cangkir dapat tumbuhMekanisme intrinsik corticogenesis dari sel batang embrio kulit kayu ini, serta di otak, yang terdiri dari beberapa lapisan neuron dan astrosit mengandung pembantu.

Hal ini jelas bahwa budaya dua dimensi sangat disederhanakan Model. Prinsip self-organisasi dari jaringan saraf telah membantu para ilmuwan untuk cepat melompat ke struktur tiga dimensi yang disebut organel spheroids dan otak. Pada proses organisasi jaringan dapat dipengaruhi oleh perubahan kondisi awal, seperti kepadatan awal budaya dan heterogenitas sel, dan faktor eksogen. Modulasi aktivitas jalur sinyal tertentu, Anda bahkan dapat mencapai pembentukan struktur canggih organel seperti cangkir optik dengan epitel retina, responsifkeragaman sel dan jaringan dinamika di organoids otak fotosensitif manusia cahaya.

Menggunakan pengolahan kapal dan pertumbuhan khusus faktor ilmuwan diperbolehkan menerima terarahPemodelan pengembangan kortikal manusia in vitro menggunakan induksi sel induk berpotensi majemuk manusia cerebral organoid yang sesuai yang otak depan (hemisfer) kulit kayu, pengembangan yang menurut ekspresi gen dan penanda sesuai dengan perkembangan janin trimester pertama.

Sebuah ilmuwan dari Stanford dipimpin Serghiou Pask (Sergiu Pasca) dikembangkanneuron kortikal fungsional dan astrosit dari sel induk berpotensi majemuk manusia dalam budaya 3D cara untuk tumbuh benjolan yang mensimulasikan otak depan langsung pada cawan petri. Ukuran seperti "otak" dari sekitar 4 milimeter, tapi setelah 9-10 bulan pematangan neuron kortikal dan astrosit sesuai dalam struktur iniManusia astrosit Pematangan Ditangkap di 3D Cerebral kortikal Spheroids Berasal dari Pluripotent Sel Stem tingkat perkembangan postnatal, yaitu tingkat perkembangan bayi segera setelah lahir.

Yang penting, sel-sel induk untuk tumbuh struktur ini dapat diambil di individu tertentu, seperti pasien dengan penyakit ditentukan secara genetik dari sistem saraf. Sebuah keberhasilan rekayasa genetika menunjukkan bahwa para ilmuwan akan segera dapat mengamati in vitro perkembangan otak Neanderthal atau denisovtsa.

Pada tahun 2013, peneliti dari Institute of Molecular Biotechnology dari Akademi Ilmu Pengetahuan Austria menerbitkan sebuah makalahCerebral organoids pengembangan model otak manusia dan microcephalyMenggambarkan budidaya dalam bioreaktor dari dua jenis sel induk, "otak dalam miniatur", meniru struktur otak manusia secara keseluruhan.

Organel zona yang berbeda sesuai dengan bagian-bagian berbeda dari otak: belakang, tengah dan depan dan "otak depan" bahkan menunjukkan diferensiasi lebih lanjut ke saham ( "Belahan"). Yang penting, dalam mini-otak ini, jumlah yang juga tidak lebih dari beberapa milimeter, para peneliti mengamati tanda-tanda aktivitas, terutama fluktuasi konsentrasi kalsium dalam neuron, yang menunjukkan eksitasi mereka (untuk rincian membaca percobaan ini bisa di sini).

Tujuan dari para ilmuwan telah tidak hanya untuk mereproduksi evolusi otak in vitroTapi juga untuk mempelajari proses molekuler yang mengarah ke microcephaly - kelainan perkembangan yang terjadi khususnya selama infeksi embrio virus Zika. Untuk pekerjaan ini penulis mengangkat mini-otak yang sama dari sel-sel pasien.

Meskipun hasil yang mengesankan, para peneliti yakin bahwa organel tersebut tidak dapat menyadari apa-apa. Pertama, di otak ini mengandung sekitar 80 miliar neuron, dan organel mereka tumbuh lipat lebih kecil. Dengan demikian, mini-otak hanya tidak secara fisik dapat sepenuhnya melakukan fungsi otak.

Kedua, karena sifat dari "in vitro" beberapa struktur yang berada berbentuk cukup kacau dan tidak teratur, koneksi non-fisiologis dengan satu sama lain. Jika sesuatu mini-otak dan berpikir itu jelas sesuatu yang tidak biasa kepada kami.

Untuk mengatasi masalah interaksi antar departemen, ahli saraf telah mengusulkan ke otak Model pada tingkat yang baru, yang diberi nama "assembloidy". Untuk pembentukan pertama mereka tumbuh secara terpisah organel sesuai dengan porsi yang terpisah dari otak, dan kemudian mereka menyatu.

Pendekatan ini, para ilmuwan telah menggunakanMajelis manusia otak depan spheroids fungsional terintegrasi penelitian bagaimana kerak dibangun yang disebut interneuron, yang muncul setelah pembentukan sebagian besar neuron dengan migrasi dari negara tetangga otak depan. Assembloidy berasal dari dua jenis jaringan saraf, diperbolehkan untuk memeriksa pelanggaran migrasi interneuron pada pasien dengan epilepsi dan autisme.

Bangun di tubuh orang lain

Bahkan dengan semua perbaikan mungkin "otak in vitro" sangat dibatasi oleh tiga kondisi fundamental. Pertama, mereka tidak memiliki sistem vaskular yang memungkinkan pengiriman oksigen dan nutrisi ke struktur internal. Untuk alasan ini, ukuran mini-otak terbatas difusi molekul melalui jaringan. Kedua, mereka tidak memiliki sistem kekebalan tubuh, yang disediakan oleh sel mikroglia: normal, sel-sel ini bermigrasi ke sistem saraf pusat dari luar. Ketiga, dalam struktur, peningkatan dalam larutan, tidak ada mikro tertentu yang disediakan oleh tubuh, yang membatasi jumlah molekul sinyal yang masuk itu. Solusi untuk masalah ini akan membuat model hewan chimeric otak.

Dalam karya terbarusebuah in vivo model manusia organoids otak fungsional dan vascularized Ilmuwan Amerika dari Salk Institute yang dipimpin oleh Fred Gage (Fred Gage) itu menggambarkan integrasi dari organel otak manusia (yaitu mini-otak) dalam otak tikus. Dalam rangka untuk melakukan hal ini, para peneliti pertama dibangun ke dalam DNA dari gen sel induk protein fluorescent hijau untuk nasib dari jaringan saraf berkembang dapat diamati dengan mikroskop. Dari sel-sel ini ditumbuhkan selama 40 hari organel bahwa setelah ditanamkan ke dalam rongga di korteks retrosplenial tikus imunodefisiensi. Setelah tiga bulan, 80 persen dari hewan tertangkap di implan.

otak tikus chimeric dianalisis selama delapan bulan. Ditemukan bahwa organel, yang dapat dengan mudah dibedakan dengan cahaya dari protein fluorescent, berhasil terintegrasi, membentuk pembuluh darah yang luas, akson tumbuh dan membentuk sinapsis dengan proses saraf otak master. Selain itu, dari host ke implan pindah sel mikroglia. Akhirnya, para peneliti menegaskan aktivitas fungsional neuron - mereka menunjukkan aktivitas dan kalsium listrik fluktuasi. Dengan demikian, manusia "mini-otak" sepenuhnya menjadi bagian dari otak tikus.

Anehnya, perilaku integrasi tikus percobaan dari potongan jaringan saraf manusia tidak terpengaruh. Pada uji untuk belajar spasial otak tikus chimeric menunjukkan hasil yang sama seperti yang dari tikus normal, dan berbeda memori bahkan lebih buruk - para peneliti menjelaskan hal ini dengan fakta bahwa mereka telah dilakukan untuk implantasi dari lubang di kulit belahan otak.

Namun demikian, tujuan dari pekerjaan ini tidak mendapatkan tikus pintar dengan kesadaran manusia dan penciptaan in vivo model organel otak orang dilengkapi dengan jaringan pembuluh dan mikro untuk berbagai aplikasi biomedis.

Percobaan adalah jenis yang sama sekali berbeda putOtak depan engraftment oleh sel-sel progenitor glial manusia meningkatkan plastisitas sinaptik dan belajar pada tikus dewasa Para ilmuwan dari Pusat Translational neyromeditsiny University of Rochester pada tahun 2013. Seperti disebutkan sebelumnya, sel-sel sumsum bantu (astrosit) Manusia berbeda dari sel-sel hewan lainnya, pada tikus tertentu. Untuk alasan ini, para peneliti menyarankan bahwa astrosit memainkan peran penting dalam pengembangan dan pemeliharaan fungsi otak manusia. Untuk uji bagaimana mengembangkan mouse chimeric dengan astrosit otak manusia, para ilmuwan telah menempatkan para pendahulunya sel aksesori di otak embrio tikus.

Ternyata di astrosit otak manusia chimeric bekerja tiga kali lebih cepat dari mouse. Selain itu, tikus chimeric dengan otak yang jauh lebih cerdas daripada rata-rata dalam banyak hal. Mereka berpikir cepat, lebih terlatih dan terfokus dalam labirin. Mungkin tikus chimeric tidak berpikir seperti orang, tetapi mungkin telah mampu merasakan tahap berikutnya dari evolusi.

Namun demikian, untuk studi tikus otak manusia jauh dari model ideal. Fakta bahwa jaringan saraf manusia dewasa menurut beberapa jam molekul internal, dan transfer ke organisme lain tidak mempercepat proses. Mengingat bahwa tikus hidup selama dua tahun, dan pembentukan total otak manusia berlangsung beberapa dekade, setiap proses jangka panjang dalam format penelitian otak chimeric mustahil. Mungkin masa depan neuroscience masih di luar otak manusia dalam akuarium - untuk mengetahui bagaimana itu tidak etis, para ilmuwan hanya perlu belajar membaca pikiran, dan teknologi modern, tampaknya, akan segera memungkinkan lakukan.

lihat juga

• 8 pikir eksperimen yang akan membuat Anda berpikir →
• 4 pertanyaan untuk membantu memulai percakapan yang menarik →
• Bagaimana untuk mengungkap misteri otak dan belajar untuk mengelolanya: 15 buku membantu →