Cách các nhà nghiên cứu nghiên cứu não người trong sự cô lập với cơ thể

2024 Tác giả: Malcolm Clapton | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 04:15

Làm thế nào các nhà khoa học tạo ra các mô hình não người và những vấn đề đạo đức mà nghiên cứu này đặt ra.

Tạp chí Nature đã công bố Đạo đức của thí nghiệm với mô não người, một bức thư tập hợp của 17 nhà khoa học thần kinh hàng đầu trên thế giới, trong đó các nhà khoa học thảo luận về sự tiến bộ trong việc phát triển các mô hình não người. Những lo ngại của các chuyên gia như sau: có thể trong tương lai gần, các mô hình sẽ trở nên tiên tiến đến mức chúng sẽ bắt đầu tái tạo không chỉ cấu trúc, mà còn cả các chức năng của não người.

Có thể tạo ra "trong ống nghiệm" một mảnh mô thần kinh có ý thức không? Các nhà khoa học biết cấu trúc não của động vật đến từng chi tiết nhỏ nhất, nhưng vẫn chưa tìm ra cấu trúc nào "mã hóa" ý thức và cách đo lường sự hiện diện của nó, nếu chúng ta đang nói về một bộ não biệt lập hoặc sự tương tự của nó.

Bộ não trong bể cá

“Hãy tưởng tượng bạn thức dậy trong một căn phòng thiếu hụt cảm giác bị cô lập - không có ánh sáng, không âm thanh, không có các kích thích bên ngoài xung quanh. Chỉ có ý thức của bạn, treo lơ lửng trong khoảng không."

Đó là hình ảnh các nhà đạo đức học bình luận về tuyên bố của nhà thần kinh học Nenad Sestan của Đại học Yale rằng nhóm của ông có thể giữ cho một bộ não lợn bị cô lập sống sót trong 36 giờ.

Các nhà nghiên cứu đang giữ não lợn sống bên ngoài cơ thể báo cáo về một thí nghiệm thành công được đưa ra tại cuộc họp của Ủy ban Đạo đức của Viện Y tế Quốc gia Hoa Kỳ vào cuối tháng Ba năm nay. Ông nói: Sử dụng một hệ thống máy bơm được làm nóng có tên là BrainEx và một chất thay thế máu tổng hợp, các nhà nghiên cứu đã duy trì sự lưu thông chất lỏng và cung cấp oxy cho bộ não bị cô lập của hàng trăm con vật bị giết trong lò mổ vài giờ trước khi thử nghiệm.

Các cơ quan vẫn còn sống, đánh giá bởi sự bền bỉ hoạt động của hàng tỷ tế bào thần kinh riêng lẻ. Tuy nhiên, các nhà khoa học không thể nói liệu bộ óc lợn được đặt trong "bể cá" có giữ được dấu hiệu tỉnh táo hay không. Sự vắng mặt của hoạt động điện, được kiểm tra một cách tiêu chuẩn bằng cách sử dụng điện não đồ, đã thuyết phục Sestan rằng "bộ não này không phải lo lắng về bất cứ điều gì." Có thể bộ não bị cô lập của con vật đã bị hôn mê, đặc biệt, điều này có thể được tạo điều kiện thuận lợi cho các thành phần của dung dịch rửa sạch nó.

Các tác giả không tiết lộ chi tiết của thí nghiệm - họ đang chuẩn bị công bố trên tạp chí khoa học. Tuy nhiên, ngay cả báo cáo của Sestan, nghèo nàn về chi tiết, đã khơi dậy sự quan tâm lớn và nhiều suy đoán về sự phát triển hơn nữa của công nghệ. Có vẻ như việc bảo tồn não về mặt kỹ thuật không khó hơn nhiều so với việc bảo quản bất kỳ cơ quan nào khác để cấy ghép, chẳng hạn như tim hoặc thận.

Điều này có nghĩa là về mặt lý thuyết có thể bảo quản não người ở trạng thái tự nhiên ít nhiều.

Ví dụ, những bộ não biệt lập có thể là một mô hình tốt để nghiên cứu thuốc: xét cho cùng, các hạn chế quy định hiện hành áp dụng cho người sống chứ không phải cho các cơ quan riêng lẻ. Tuy nhiên, từ quan điểm đạo đức, nhiều câu hỏi đặt ra ở đây. Ngay cả câu hỏi về chết não vẫn là một "vùng xám" đối với các nhà nghiên cứu - mặc dù đã tồn tại các tiêu chí y tế chính thức, vẫn có một số tình trạng tương tự, từ đó vẫn có thể trở lại hoạt động sống bình thường. Chúng ta có thể nói gì về tình huống khi chúng ta khẳng định rằng bộ não vẫn còn sống. Điều gì sẽ xảy ra nếu bộ não, bị cô lập khỏi cơ thể, tiếp tục giữ lại một số hoặc tất cả các đặc điểm tính cách? Sau đó, hoàn toàn có thể hình dung tình huống được mô tả ở đầu bài viết.

Nơi ý thức ẩn náu

Mặc dù thực tế là cho đến những năm 80 của thế kỷ 20, có những người ủng hộ thuyết nhị nguyên phân tách linh hồn khỏi thể xác, trong số các nhà khoa học, trong thời đại của chúng ta, ngay cả các triết gia nghiên cứu về tâm thần cũng đồng ý rằng mọi thứ mà chúng ta gọi là ý thức đều được tạo ra. bởi bộ não vật chất (lịch sử Câu hỏi có thể được đọc chi tiết hơn, ví dụ, trong chương này Ý thức ở đâu: Lịch sử vấn đề và triển vọng tìm kiếm từ cuốn sách của người đoạt giải Nobel Eric Kandel "Tìm kiếm trí nhớ").

Hơn nữa, với các kỹ thuật hiện đại như chụp cộng hưởng từ chức năng, các nhà khoa học có thể theo dõi vùng não nào được kích hoạt trong các bài tập trí óc cụ thể. Tuy nhiên, khái niệm ý thức nói chung là quá phù du và các nhà khoa học vẫn chưa thống nhất về việc liệu nó có được mã hóa bởi một tập hợp các quá trình xảy ra trong não hay không, hay liệu một số mối tương quan thần kinh nhất định chịu trách nhiệm cho nó.

Như Kandel đã nói trong cuốn sách của mình, ở những bệnh nhân có bán cầu đại não được phẫu thuật tách rời, ý thức được chia thành hai, mỗi người nhận thức một bức tranh độc lập về thế giới.

Những trường hợp này và những trường hợp tương tự từ thực hành giải phẫu thần kinh ít nhất chỉ ra rằng đối với sự tồn tại của ý thức, tính toàn vẹn của bộ não như một cấu trúc đối xứng là không cần thiết. Một số nhà khoa học, bao gồm cả người phát hiện ra cấu trúc DNA Francis Crick, người cuối đời quan tâm đến khoa học thần kinh, tin rằng sự hiện diện của ý thức được xác định bởi các cấu trúc cụ thể trong não.

Có thể đây là một số mạch thần kinh nhất định, hoặc có thể điểm mấu chốt là ở các tế bào phụ của não - tế bào hình sao, ở người, so với các động vật khác, có tính chuyên biệt cao. Bằng cách này hay cách khác, các nhà khoa học đã đạt đến điểm mô hình hóa các cấu trúc riêng lẻ của não người trong ống nghiệm (“trong ống nghiệm”) hoặc thậm chí in vivo (như một phần của não động vật).

Thức dậy trong lò phản ứng sinh học

Không biết bao lâu nữa sẽ có các thí nghiệm trên toàn bộ bộ não được chiết xuất từ cơ thể người - trước tiên, các nhà khoa học thần kinh và đạo đức học phải đồng ý với nhau về các quy tắc của trò chơi. Tuy nhiên, trong các phòng thí nghiệm trong đĩa Petri và lò phản ứng sinh học, sự gia tăng của các nền văn hóa não người ba chiều đang phát triển các “bộ não nhỏ” bắt chước cấu trúc của bộ não người “lớn” hoặc các bộ phận cụ thể của nó.

Trong quá trình phát triển của phôi, các cơ quan của nó được hình thành theo từng giai đoạn nhất định theo một chương trình nào đó vốn có trong gen theo nguyên tắc tự tổ chức. Hệ thần kinh cũng không ngoại lệ. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nếu sự biệt hóa thành các tế bào của mô thần kinh được tạo ra trong quá trình nuôi cấy tế bào gốc với sự trợ giúp của một số chất nhất định, thì điều này dẫn đến sự sắp xếp lại tự phát trong quá trình nuôi cấy tế bào, tương tự như những quá trình xảy ra trong quá trình hình thành ống thần kinh phôi thai.

Tuy nhiên, các tế bào gốc được tạo ra theo cách này "mặc định" sẽ biệt hóa cuối cùng thành các tế bào thần kinh của vỏ não, tuy nhiên, bằng cách thêm các phân tử tín hiệu từ bên ngoài vào đĩa Petri, chẳng hạn như tế bào của não giữa, thể vân hoặc tủy sống. Hóa ra là một cơ chế nội tại của quá trình hình thành vỏ não từ tế bào gốc phôi có thể được phát triển trong một đĩa, một vỏ não thực sự, giống như trong não, bao gồm một số lớp tế bào thần kinh và chứa các tế bào hình sao phụ trợ.

Rõ ràng là các nền văn hóa hai chiều đại diện cho một mô hình được đơn giản hóa cao độ. Nguyên tắc tự tổ chức của các mô thần kinh đã giúp các nhà khoa học nhanh chóng di chuyển đến các cấu trúc ba chiều gọi là khối cầu và các bào quan đại não. Quá trình tổ chức mô có thể bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong điều kiện ban đầu, chẳng hạn như mật độ nuôi cấy ban đầu và tính không đồng nhất của tế bào, và bởi các yếu tố ngoại sinh. Bằng cách điều chỉnh hoạt động của một số tầng tín hiệu nhất định, thậm chí có thể đạt được sự hình thành các cấu trúc tiên tiến trong organoid, chẳng hạn như cốc thị giác với biểu mô võng mạc, phản ứng đa dạng tế bào và động lực mạng trong các organoids não người cảm quang với ánh sáng.

Việc sử dụng một loại tàu đặc biệt và điều trị với các yếu tố tăng trưởng cho phép các nhà khoa học có chủ đích Mô hình hóa sự phát triển vỏ não của con người trong ống nghiệm bằng cách sử dụng các tế bào gốc đa năng cảm ứng - một organoid não người tương ứng với não trước (bán cầu) có vỏ não, sự phát triển của nó, được đánh giá bởi sự biểu hiện của các gen và dấu hiệu, tương ứng với ba tháng đầu của sự phát triển của thai nhi …

Và các nhà khoa học từ Stanford, do Sergiu Pasca đứng đầu, đã phát triển tế bào thần kinh vỏ não chức năng và tế bào hình sao từ tế bào gốc đa năng của con người trong nuôi cấy 3D, một cách để phát triển các khối bắt chước não trước ngay trong đĩa Petri. Kích thước của những "bộ não" như vậy là khoảng 4 mm, nhưng sau 9-10 tháng trưởng thành, các tế bào thần kinh vỏ não và tế bào hình sao trong cấu trúc này tương ứng với mức độ phát triển sau sinh, tức là mức độ phát triển của trẻ ngay sau khi chào đời.

Điều quan trọng là, tế bào gốc để phát triển các cấu trúc như vậy có thể được lấy từ những người cụ thể, ví dụ, từ những bệnh nhân mắc các bệnh về hệ thần kinh được xác định về mặt di truyền. Và những tiến bộ trong kỹ thuật di truyền cho thấy rằng các nhà khoa học sẽ sớm có thể quan sát trong ống nghiệm sự phát triển não của người Neanderthal hoặc Denisovan.

Vào năm 2013, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Sinh học Phân tử của Viện Hàn lâm Khoa học Áo đã xuất bản một bài báo Mô hình chất béo não mô hình sự phát triển não bộ và tật đầu nhỏ của con người, mô tả việc nuôi cấy một "bộ não thu nhỏ" từ hai loại tế bào gốc trong một lò phản ứng sinh học, bắt chước cấu trúc của toàn bộ bộ não con người.

Các khu vực khác nhau của organoid tương ứng với các phần khác nhau của não: sau, giữa và trước, và “não trước” thậm chí còn cho thấy sự phân hóa sâu hơn thành các thùy (“bán cầu”). Điều quan trọng, trong bộ não nhỏ, có kích thước không vượt quá vài mm này, các nhà khoa học đã quan sát thấy các dấu hiệu hoạt động, cụ thể là sự dao động nồng độ canxi bên trong tế bào thần kinh, đóng vai trò như một chỉ báo về sự kích thích của chúng (bạn có thể đọc chi tiết về thí nghiệm này tại đây).

Mục tiêu của các nhà khoa học không chỉ là tái tạo sự tiến hóa của não trong ống nghiệm, mà còn nghiên cứu các quá trình phân tử dẫn đến tật đầu nhỏ - một dạng bất thường về phát triển xảy ra, đặc biệt là khi phôi thai bị nhiễm virus Zika. Đối với điều này, các tác giả của công trình đã phát triển não nhỏ giống nhau từ các tế bào của bệnh nhân.

Mặc dù có kết quả ấn tượng, các nhà khoa học vẫn tin rằng những bào quan như vậy không có khả năng nhận thức được bất cứ điều gì. Đầu tiên, bộ não thực sự chứa khoảng 80 tỷ tế bào thần kinh, và các organoid đã phát triển chứa ít hơn một số bậc độ lớn. Vì vậy, một bộ não nhỏ đơn giản là không có khả năng vật lý để thực hiện đầy đủ các chức năng của một bộ não thực sự.

Thứ hai, do đặc thù của sự phát triển "trong ống nghiệm", một số cấu trúc của nó được định vị khá hỗn loạn và hình thành các kết nối không chính xác, phi sinh lý với nhau. Nếu bộ não mini nghĩ bất cứ điều gì, đó rõ ràng là một điều gì đó bất thường đối với chúng ta.

Để giải quyết vấn đề về sự tương tác của các bộ phận, các nhà khoa học thần kinh đã đề xuất mô hình bộ não ở một cấp độ mới, nó được gọi là "tập hợp". Để hình thành chúng, các bào quan đầu tiên được phát triển riêng biệt, tương ứng với các bộ phận riêng lẻ của não, và sau đó chúng được hợp nhất.

Phương pháp tiếp cận này các nhà khoa học đã sử dụng Hội các khối cầu não trước tích hợp chức năng của con người để nghiên cứu cách thức mà cái gọi là tế bào thần kinh não bộ, xuất hiện sau khi hình thành phần lớn tế bào thần kinh do di chuyển từ não trước lân cận, được kết hợp vào vỏ não. Các khối lắp ghép thu được từ hai loại mô thần kinh đã giúp nghiên cứu những rối loạn trong quá trình di chuyển của các tế bào thần kinh ở bệnh nhân động kinh và tự kỷ.

Thức dậy trong cơ thể của người khác

Ngay cả với tất cả các cải tiến, khả năng của não trong một ống vẫn bị hạn chế nghiêm trọng bởi ba điều kiện cơ bản. Đầu tiên, chúng không có hệ thống mạch máu cho phép chúng cung cấp oxy và chất dinh dưỡng đến các cấu trúc bên trong của chúng. Vì lý do này, kích thước của các bộ não nhỏ bị giới hạn bởi khả năng khuếch tán của các phân tử qua mô. Thứ hai, chúng không có hệ thống miễn dịch, được đại diện bởi các tế bào vi mô: thông thường các tế bào này di chuyển đến hệ thống thần kinh trung ương từ bên ngoài. Thứ ba, cấu trúc phát triển trong dung dịch không có vi môi trường cụ thể do cơ thể cung cấp, điều này làm hạn chế số lượng phân tử tín hiệu tiếp cận nó. Giải pháp cho những vấn đề này có thể là tạo ra các động vật mô hình có bộ não chimeric.

Công trình gần đây Một mô hình in vivo về các chất hữu cơ chức năng và mạch máu não người của các nhà khoa học Mỹ từ Viện Salk dưới sự chỉ đạo của Fred Gage mô tả sự tích hợp của bào quan não người (tức là một bộ não nhỏ) vào não chuột.. Để làm được điều này, trước tiên, các nhà khoa học đã đưa gen của một protein huỳnh quang xanh vào DNA của tế bào gốc để có thể quan sát số phận của các mô thần kinh đang phát triển bằng kính hiển vi. Organoids được nuôi cấy từ những tế bào này trong 40 ngày, sau đó được cấy vào một khoang trong vỏ não sau của một con chuột bị suy giảm miễn dịch. Ba tháng sau, ở 80% số động vật, thiết bị cấy ghép đã mọc rễ.

Bộ não của những con chuột được phân tích trong 8 tháng. Hóa ra là organoid, có thể dễ dàng phân biệt bằng sự phát quang của một protein huỳnh quang, được tích hợp thành công, tạo thành một mạng lưới mạch nhánh, phát triển các sợi trục và hình thành các khớp thần kinh với các quá trình thần kinh của não vật chủ. Ngoài ra, các tế bào microglia đã di chuyển từ vật chủ sang mô cấy. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã xác nhận hoạt động chức năng của các tế bào thần kinh - chúng cho thấy hoạt động điện và sự dao động của canxi. Như vậy, "bộ não mini" của con người đã nhập đầy đủ thành phần của bộ não chuột.

Đáng ngạc nhiên, sự tích hợp của một mảnh mô thần kinh của con người không ảnh hưởng đến hành vi của chuột thí nghiệm. Trong một thử nghiệm về khả năng học tập trong không gian, những con chuột có bộ não bằng hạt nghệ hoạt động giống như những con chuột bình thường, và thậm chí còn có trí nhớ kém hơn - các nhà nghiên cứu giải thích điều này bởi thực tế là để cấy ghép chúng đã tạo ra một lỗ trên vỏ não.

Tuy nhiên, mục tiêu của công việc này không phải là thu được một con chuột thông minh với ý thức của con người, mà là tạo ra một mô hình in vivo của các bào quan não người được trang bị mạng lưới mạch máu và môi trường vi mô cho các mục đích y sinh khác nhau.

Các nhà khoa học tại Trung tâm Translational Neuromedicine tại Đại học Rochester năm 2013 đã thực hiện một thử nghiệm thuộc loại hoàn toàn khác được thực hiện bởi Forebrain bởi các tế bào tiền thân thần kinh đệm của con người giúp tăng cường độ dẻo của khớp thần kinh và khả năng học hỏi ở chuột trưởng thành. Như đã đề cập trước đó, tế bào não phụ của con người (tế bào hình sao) rất khác với tế bào não của các động vật khác, cụ thể là chuột. Vì lý do này, các nhà nghiên cứu cho rằng tế bào hình sao đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển và duy trì các chức năng não của con người. Để kiểm tra xem não chuột nghệ sẽ phát triển như thế nào với các tế bào hình sao của con người, các nhà khoa học đã cấy các tiền chất tế bào trợ giúp vào não của phôi chuột.

Hóa ra là trong một bộ não chimeric, tế bào hình sao của con người hoạt động nhanh hơn chuột gấp ba lần. Hơn nữa, những con chuột có bộ não tinh nghệ hóa ra lại thông minh hơn bình thường một cách đáng kể về nhiều mặt. Họ suy nghĩ nhanh hơn, học tốt hơn và điều hướng mê cung. Có thể, chuột chimeric không suy nghĩ như con người, nhưng có lẽ, chúng có thể cảm thấy bản thân đang ở một giai đoạn tiến hóa khác.

Tuy nhiên, các loài gặm nhấm không phải là mô hình lý tưởng để nghiên cứu não người. Thực tế là mô thần kinh của con người trưởng thành theo một số đồng hồ phân tử bên trong, và việc chuyển nó sang một sinh vật khác không đẩy nhanh quá trình này. Xét rằng chuột chỉ sống được hai năm và sự hình thành đầy đủ của bộ não người mất vài thập kỷ, nên không thể nghiên cứu được bất kỳ quá trình lâu dài nào ở dạng não bộ. Có lẽ tương lai của khoa học thần kinh vẫn thuộc về bộ não của con người trong bể cá - để tìm hiểu xem nó có đạo đức như thế nào, các nhà khoa học chỉ cần học cách đọc suy nghĩ, và công nghệ hiện đại dường như sẽ sớm làm được điều này.