Come i ricercatori a studiare il cervello umano in modo isolato dal corpo

La rivista Nature ha pubblicatoL'etica della sperimentazione di tessuto cerebrale umano robin 17 neuroscienziati leader, dove gli scienziati discussi i progressi nello sviluppo dei modelli del cervello umano. I timori degli esperti sono i seguenti: probabilmente in un prossimo futuro il modello sarà così avanzata che avrebbero giocare non solo la struttura ma anche le funzioni del cervello umano.

E 'possibile creare un "in vitro" un pezzo di tessuto nervoso, ha coscienza? Gli scienziati conoscono la struttura del cervello degli animali con dovizia di particolari, ma non hanno trovato fino ad ora, che tipo di struttura "Encode" la mente e come misurare la sua presenza quando si tratta di cervello isolato o simili.

Il cervello in acquario

"Immagina di essere svegliato in un serbatoio di isolamento isolato - intorno non c'è luce, nessun suono, nessun stimoli esterni. Solo la vostra coscienza, sospeso nel vuoto. "

Questa immagine si rappresentano gli esperti di etica, commentando una dichiarazione presso la Yale University neuroscienziato Nenad Sestao (Nenad Sestan) che la sua squadra è riuscita entro 36 ore per mantenere il cervello di maiale isolato nel "vivo" condizione.

messaggioI ricercatori stanno tenendo in vita il cervello di maiale fuori del corpo esperimento riuscito è stato fatto in una riunione del Comitato Etico del National Institutes of Health, alla fine di marzo di quest'anno. Secondo lo scienziato, utilizzando un sistema di pompa con e riscaldata titolo BrainEx e sostituto sintetico del sangue, i ricercatori supportati circolazione del fluido e la fornitura di ossigeno a centinaia di animali isolati del cervello, messo a morte in un macello in un paio d'ore prima della sperimentare.

A giudicare dalle attività di conservazione di miliardi di singoli neuroni, i corpi sono rimasti vivi. Tuttavia, gli scienziati non possono dire se il cervello di maiale conservati, inseriti nella "acquario", segni di coscienza. L'assenza di attività elettrica, un metodo standard collaudato usando un elettroencefalogramma, Sestao convinto che "il cervello è o non è preoccupato di nulla." È possibile che un animale isolato cervello in uno stato di coma, che, in particolare, potrebbe contribuire a lavare i componenti della sua soluzione.

Dettagli degli autori non rivelano l'esperimento - si stanno preparando una pubblicazione in una rivista scientifica. Tuttavia, anche nelle parti povere Sestao segnalarlo suscitato grande interesse e un sacco di speculazioni circa l'ulteriore sviluppo della tecnologia. A quanto pare, la conservazione del cervello non è tecnicamente molto più difficile rispetto a qualsiasi altro conservazione degli organi per il trapianto, come il cuore o il rene.

Ciò significa che, in teoria, possono essere memorizzati in uno stato più o meno naturale e il cervello umano.

cervelli isolati potrebbero essere un buon modello, ad esempio, per lo studio dei farmaci: perché le restrizioni normative esistenti si applicano agli esseri umani, e non sui singoli organi. Tuttavia, da un punto di vista etico, questo solleva un sacco di domande. Anche la questione della morte cerebrale rimane una "zona grigia" per i ricercatori - nonostante l'esistenza di formali criteri medici, ci sono una serie di stati simili da cui un ritorno alla vita normale di più possibile. Che cosa possiamo dire per la situazione, quando diciamo che il cervello è ancora vivo. Che cosa succede se isolato dal corpo il cervello continua ad essere tenuto in sé tutti o alcuni dei segni di identità? Poi è possibile immaginare la situazione descritta in precedenza in questo articolo.

Dove si trova la coscienza

Nonostante il fatto che fino a 80-zioni del XX secolo esistevano tra gli scienziati sostenitori della teoria del dualismo che separa l'anima dal corpo, nel nostro tempo, anche i filosofi, dedicata allo studio della psiche, siamo d'accordo che tutta la coscienza che chiamiamo è generato dal cervello materiale (storia del problema può essere letto in modo più dettagliato, per esempio, in questo capitoloDove è la coscienza: lo sfondo e prospettive di ricerca dal libro dal premio Nobel Eric Kandel "In Search of Memory").

Inoltre, con le tecniche di oggi, come la risonanza magnetica funzionale, gli scienziati può vedere a che tipo di aree del cervello si attivano durante l'esecuzione di specifici mentale esercizi. Tuttavia, il concetto di coscienza nel suo complesso è troppo effimera, e gli scienziati ancora non hanno concordato se si tratta di un insieme di processi che si verificano nel cervello, oppure è codificato rispondere a determinati correlati neurali.

Si racconta nel suo libro, Kandel, nei pazienti con emisferi chirurgicamente separati della coscienza del cervello, in quanto sono stati divisi in due, ognuno dei quali riceve un parere indipendente del mondo.

Questi e simili casi di pratica neurochirurgico indicano almeno il fatto che l'esistenza della coscienza dell'integrità cervello come una struttura simmetrica non è necessaria. Alcuni studiosi, tra cui lo scopritore della struttura del DNA, Francis Crick, che alla fine della vita si è interessata nel campo delle neuroscienze, si ritiene che la presenza di coscienza è determinata dalle strutture specifiche del cervello.

Forse è certo catena neurale, e può essere la causa a sostegno delle cellule del cervello - astrocitiChe una persona ha, rispetto ad altri animali, è abbastanza specializzato. In ogni caso, prima che la modellazione di strutture cerebrali dell'individuo umano in vitro ( "In vitro"), o addirittura in vivo (Come parte del cervello animale) gli scienziati hanno già raggiunto.

Svegliatevi nel bioreattore

Non si sa quanto tempo si tratta di esperimenti su cervelli interi estratti dal corpo umano - primi specialisti nel campo delle neuroscienze e l'etica deve essere d'accordo sulle regole del gioco. Tuttavia, nei laboratori in piastre di Petri e bioreattori sono già cresciutiL'aumento delle culture del cervello umano tridimensionale "Mini-cervello" che imitano la struttura di "grande" il cervello umano o di un reparto specifico.

Durante lo sviluppo embrionale dei suoi organi si formano in base a determinate fasi di alcuni geni incorporati nel programma secondo il principio di auto-organizzazione. Non fa eccezione e il sistema nervoso. I ricercatori hanno scoperto che se una coltura di cellule staminali utilizzando alcune sostanze di indurre il differenziamento in cellule nervose tessuto, questo porta a riarrangiamenti spontanei in coltura cellulare, simili a quelli che si verificano durante neurale morfogenesi del tubo embrione.

"Default" indotti in questo modo le cellule staminali si differenziano per finire nei neuroni della corteccia cervello, ma con l'aggiunta di molecole di segnalazione esterni in una capsula di Petri può essere preparato, per esempio, cellule mesencefalo, striato o del midollo spinale. Si è scoperto che nella tazza può essere coltivataUn meccanismo intrinseco corticogenesi da cellule staminali embrionali questa corteccia, così come nel cervello, costituito da più strati di neuroni e astrociti contenenti ausiliari.

È chiaro che le colture bidimensionali sono altamente modello semplificato. Il principio di auto-organizzazione del tessuto nervoso ha aiutato gli scienziati a passare rapidamente a strutture tridimensionali chiamati organelli sferoidi e cerebrale. Sul processo di organizzazione del tessuto può essere influenzata da cambiamenti nelle condizioni iniziali, come la densità iniziale della coltura e l'eterogeneità delle cellule, e fattori esogeni. Modulando l'attività di alcune vie di segnalazione, si può anche ottenere formazione di strutture avanzate organelli, come la coppa ottica con epitelio della retina, reattivodiversità delle cellule e di rete dinamiche organoidi cerebrali fotosensibile umani alla luce.

Utilizzando uno speciale fattori nave officina e di crescita scienziati ammessi ricevono direzionalmenteModellazione sviluppo corticale umana in vitro utilizzando cellule staminali pluripotenti indotte umano cerebrale organoide corrispondente proencefalo (emisferi) corteccia, il cui sviluppo, secondo l'espressione di geni marcatori e corrisponde al primo trimestre sviluppo fetale.

A scienziati di Stanford hanno portato Serghiou Pask (Sergiu Pasca) sviluppatoneuroni corticali funzionali e astrociti da cellule staminali pluripotenti umane in coltura 3D modo per crescere grumi che simulano proencefalo direttamente nella scatola di Petri. La dimensione di tali "cervelli" di circa 4 millimetri, ma dopo 9-10 mesi di stagionatura neuroni corticali e astrociti corrispondono in questa strutturaUmano astrociti Maturazione acquisite in 3D cerebrali corticali Spheroids derivate da cellule staminali pluripotenti livello di sviluppo post-natale, cioè il livello di sviluppo del bambino subito dopo la nascita.

È importante sottolineare che le cellule staminali per crescere queste strutture possono essere prese in individui specifici, come i pazienti con malattie geneticamente determinate del sistema nervoso. Un successo l'ingegneria genetica suggeriscono che gli scienziati saranno presto in grado di osservare in vitro lo sviluppo del cervello di Neanderthal o denisovtsa.

Nel 2013, i ricercatori dell'Istituto di biotecnologia molecolare dell'Accademia austriaca delle scienze pubblicato un documentoCerebrale organoidi sviluppo del modello umano del cervello e microcefaliaDescrivendo la coltivazione in un bioreattore dei due tipi di cellule staminali, "il cervello in miniatura", imitando la struttura del cervello umano nel suo complesso.

Organelli diverse zone corrispondono a differenti parti del cervello: la parte posteriore, centrale ed anteriore e "proencefalo" anche mostrato un ulteriore differenziazione in azioni ( "Hemisphere"). Ciò che è importante, in questo mini-encefalica, il cui importo è anche non più di pochi millimetri, i ricercatori hanno osservato segni di attività, in particolare fluttuazioni concentrazione di calcio all'interno dei neuroni, indicativi della loro eccitazione (per i dettagli di questo esperimento lettura lattina qui).

L'obiettivo degli scienziati è stato non solo di riprodurre l'evoluzione del cervello in vitroMa anche per studiare i processi molecolari che portano alla microcefalia - anomalie dello sviluppo, che si verificano in particolare durante l'infezione di embrioni da virus Zika. Per questo lavoro gli autori hanno sollevato lo stesso mini-cervello le cellule del paziente.

Nonostante i risultati impressionanti, i ricercatori sono stati sicuri che questi organelli sono in grado di realizzare qualsiasi cosa. In primo luogo, in questo cervello contiene circa 80 miliardi di neuroni, e le loro organelli cresciuti di ordini di grandezza più piccola. Così, il mini-cervello semplicemente non fisicamente in grado di svolgere pienamente le funzioni del cervello.

In secondo luogo, a causa della natura di "in vitro" alcune delle sue strutture erano situati sagomati piuttosto caotico e irregolare, connessioni non fisiologiche con l'altro. Se il mini-brain qualcosa e ho pensato che era chiaramente qualcosa di insolito per noi.

Al fine di risolvere il problema di interazione tra i reparti, i neuroscienziati hanno proposto di cervello modello su un nuovo livello, che è stato chiamato "assembloidy". Per la loro formazione prima cresciute separatamente organelli corrispondenti a porzioni distinte del cervello, e quindi sono fusi.

Questo approccio, gli scienziati hanno usatoAssemblaggio di sferoidi prosencefalo umani funzionalmente integrati per studiare come la crosta costruito cosiddetti interneuroni che compaiono dopo la formazione della massa di neuroni dalla migrazione dalla vicina proencefalo. Assembloidy deriva da due tipi di tessuto nervoso, ha permesso di esaminare violazioni della migrazione interneuroni in pazienti con epilessia e l'autismo.

Svegliatevi nel corpo di qualcun altro

Anche con tutti i miglioramenti possibili "cervello in vitro" severamente limitato da tre condizioni fondamentali. In primo luogo, essi non hanno un sistema vascolare che consente l'erogazione di ossigeno e nutrienti alle strutture interne. Per questo motivo, la dimensione dei mini-cervelli sono limitati alla diffusione delle molecole attraverso il tessuto. In secondo luogo, non hanno sistema immunitario, fornito da cellule microgliali: normali, queste cellule migrano nel sistema nervoso centrale dall'esterno. Terzo, nella struttura, aumentando nella soluzione, non c'è microambiente specifico fornito dal corpo, che limita il numero di molecole di segnalazione entrarvi. La soluzione a questi problemi sarebbe quello di creare un modello animale chimerico il cervello.

In un lavoro recenteun in vivo modello della organoidi funzionali e vascolarizzazione del cervello umano Gli scienziati americani del Salk Institute guidati da Fred Gage (Fred Gage) descrive l'integrazione del organello cerebrale umana (cioè mini-cervello) nel cervello di topo. Per fare questo, i ricercatori hanno prima incorporate in potrebbe essere osservato con un microscopio DNA della proteina fluorescente verde genica con cellule staminali per il destino del tessuto nervoso sviluppo. Da queste cellule sono state coltivate per 40 giorni organelli che dopo impiantato nella cavità nella corteccia retrosplenial il mouse immunodeficienti. Dopo tre mesi, il 80 per cento degli animali catturati sull'impianto.

cervelli di topi chimerici sono stati analizzati per otto mesi. Si è constatato che organelli, che possono essere facilmente distinguibili dal bagliore di una proteina fluorescente, successo sinapsi integrati, formata una vasta vascolare, gli assoni cresciuti e formati con processi nervosi cervello di master. Inoltre, dall'host nell'impianto spostato cellule microgliali. Infine, i ricercatori hanno confermato l'attività funzionale dei neuroni - hanno mostrato di attività e di calcio fluttuazioni elettriche. Così, la "mini-brain" umana è diventata pienamente parte del cervello di topo.

Sorprendentemente, il comportamento della integrazione topi sperimentale del pezzo di tessuto nervoso umano non è interessato. Nel test di apprendimento spaziale cervello chimerico murino ha mostrato gli stessi risultati come quello di topi normali, e differivano memoria anche peggio - hanno spiegato i ricercatori questo con il fatto che hanno fatto per l'impianto di un buco nella corteccia emisferi.

Tuttavia, l'obiettivo di questo lavoro non è stato sempre il mouse intelligente con la coscienza umana e la creazione di in vivo Modello di organelli cerebrali persona è dotata di una rete di vasi e microambiente per varie applicazioni biomediche.

L'esperimento è stato un tipo completamente diverso di putattecchimento prosencefalo da cellule progenitrici gliali umane migliora la plasticità sinaptica e l'apprendimento in topi adulti Gli scienziati del Centro per traslazionale neyromeditsiny l'Università di Rochester nel 2013. Come precedentemente accennato, le cellule del midollo ausiliari (astrociti) umani differiscono dalle altre cellule animali, in particolare topi. Per questo motivo, i ricercatori suggeriscono che gli astrociti svolgono un ruolo importante nello sviluppo e nel mantenimento delle funzioni del cervello umano. Per prova di come sviluppare un topo chimerico con astrociti del cervello umano, gli scienziati hanno messo predecessori cellule accessorie nel cervello di embrioni di topo.

Si è scoperto che nelle chimeriche astrociti del cervello umano funziona tre volte più veloce del mouse. Inoltre, i topi chimerici con il cervello erano molto più intelligente rispetto alla media sotto molti aspetti. Pensano veloce, meglio addestrato e si è concentrato nel labirinto. Probabilmente topi chimerici non pensavano come le persone, ma potrebbero essere stati in grado di sentire la prossima fase di evoluzione.

Tuttavia, per lo studio dei roditori cervello umano lontano dal modello ideale. Il fatto che il tessuto nervoso umano matura secondo alcuni orologio molecolare interna, e le trasferisce in un altro organismo non accelerare il processo. Dato che i topi vissuto per soli due anni, e la formazione totale del cervello umano prende un paio di decenni, eventuali processi a lungo termine nel formato di studio del cervello chimerico impossibile. Forse il futuro delle neuroscienze ancora al di là cervelli umani in acquari - per scoprire come non è etico, gli scienziati hanno solo bisogno di imparare a leggere la mente, e la tecnologia moderna, a quanto pare, sarà presto permetterà fare.

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