Минулого тижня журнал опублікував колективний лист 17 провідних світових нейробіологів, в якому вчені обговорили прогрес в області розвитку моделей мозку людини. Побоювання фахівців полягають у наступному: ймовірно, вже найближчим часом моделі стануть настільки просунутими, що почнуть відтворювати не тільки будову, але і функції людського мозку. Чи можливо створити «в пробірці» шматочок нервової тканини, що володіє свідомістю? Вчені знають будову мозку тварин в найдрібніших деталях, але досі не з'ясували, які саме структури «кодують» свідомість, і як саме виміряти його наявність, якщо мова йде про ізольований мозок або його подобу. Редакція вирішила розібратися, як йдуть справи в області моделювання структур людського мозку, і що змусило фахівців заговорити про необхідність вироблення етичного кодексу для регулювання подібних досліджень.
Мозок в акваріумі
"Уявіть, що ви прокинулися в ізольованій камері сенсорної депривації - навколо немає ні світла, ні звуків, ніяких зовнішніх стимулів. Тільки ваша свідомість, що висить у порожнечі ". Таку картину уявляють собі експерти з етики, які коментують заяву нейробіолога з Єльського університету Ненада Сестана (Nenad Sestan) про те, що його команді вдалося протягом 36 годин підтримувати ізольований мозок свині в «живому» стані. Повідомлення про успішний експеримент було зроблено на зборах етичного комітету Національних інститутів здоров'я США наприкінці березня цього року. За словами вченого, за допомогою системи насосів з підігрівом під назвою BrainEx і синтетичного замінника крові дослідники підтримували циркуляцію рідини і постачання киснем ізольованих мізків сотні тварин, поміркованих на скотобійні за пару годин до початку експерименту.
Судячи зі збереження активності мільярдів окремих нейронів, органи залишалися живими. Проте, вчені не можуть сказати, чи зберегли свинячі мізки, поміщені «в акваріум», ознаки свідомості. Відсутність електричної активності, перевіреної стандартним способом за допомогою електроенцефалограми, переконала Сестана, що «цей мозок ні про що не турбується». Можливо, що ізольований мозок тварини перебував у стані коми, чому, зокрема, могли посприяти компоненти омиваючого його розчину.
Подробиці експерименту автори не розголошують - вони готують публікацію в науковому журналі. Проте навіть бідна на деталі доповідь Сестана викликала великий інтерес і безліч спекуляцій на тему подальшого розвитку технології. Судячи з усього, технічно збереження мозку не набагато складніше, ніж збереження будь-якого іншого органу для трансплантації, наприклад серця або нирки. Це означає, що теоретично можна зберегти в більш-менш природному стані і мозок людини. Ізольовані мізки могли б стати хорошою моделлю, наприклад, для дослідження препаратів - адже існуючі регуляторні обмеження поширюються на живих людей, а не на окремі органи. Однак з етичної точки зору тут виникає багато питань. Навіть питання смерті мозку залишається «сірою зоною» для дослідників - незважаючи на наявність формальних медичних критеріїв, існує ряд схожих станів, з яких повернення до нормальної життєдіяльності ще можливе. Що ж говорити про ситуацію, коли ми стверджуємо, що мозок залишається живим. Що якщо ізольований від тіла мозок продовжує зберігати в собі всі або деякі ознаки особистості? Тоді можна уявити собі ситуацію, описану на початку статті.
Де ховається свідомість
Незважаючи на те, що аж до 80-х років XX століття серед вчених існували прихильники теорії дуалізму, що відокремлює душу від тіла, в наш час навіть філософи, що займаються вивченням психіки, згодні, що все, що ми називаємо свідомістю, породжується матеріальним мозком (історію питання більш детально можна прочитати, наприклад, в цій главі з книги нобелівського лауреата Еріка Кандела «В пошуках пам'яті»). Більше того, за допомогою сучасних методів, таких як функціональна магнітно-резонансна томографія, вчені можуть простежити за тим, які саме ділянки мозку активуються в процесі виконання конкретних розумових вправ. Тим не менш, поняття свідомості в цілому занадто ефемерне, і вчені досі не зійшлися на думці, чи кодується воно сукупністю процесів, що відбуваються в мозку, або за нього відповідають певні нейронні кореляти.
Як розповідає у своїй книзі Кандель, у пацієнтів з розділеними хірургічним шляхом півкулями мозку свідомість ніби розщеплюється на дві, кожна з яких сприймає незалежну картину світу. Ці та подібні випадки з нейрохірургічної практики вказують принаймні на те, що для існування свідомості цілісності мозку як симетричної структури не потрібно. Деякі вчені, в тому числі першовідкривач структури ДНК Френсіс Крік, який під кінець життя захопився нейробіологією, вважають, що наявність свідомості визначається конкретними структурами в мозку. Можливо, це певні нейронні ланцюжки, а може бути, справа в допоміжних клітинах мозку - астроцитах, які у людини, порівняно з іншими тваринами, досить сильно спеціалізовані. Так чи інакше, до моделювання окремих структур мозку людини («в пробірці») або навіть - у складі мозку тварин, вчені вже дійшли.
Прокинутися в біореакторі
Невідомо, як скоро справа дійде до експериментів на цілих мізках, витягнутих з тіла людини, - спочатку фахівці з нейробіології і з етики повинні домовитися про правила гри. Тим не менш, в лабораторіях в чашках Петрі і біореакторах вже щосили вирощують «міні-мізки», що імітують по структурі «великий» людський мозок або його конкретні відділи.
У процесі розвитку ембріона його органи формуються до певних стадій відповідно до якоїсь закладеної в генах програми за принципом самоорганізації. Не складає винятку і нервова система. Дослідники виявили, що якщо в культурі стовбурових клітин за допомогою певних речовин індукувати диференціацію в клітини нервової тканини, це призводить до мимовільних перебудов у клітинній культурі, схожих на ті, що відбуваються при морфогенезі нервової трубки ембріона. Індуковані таким чином стовбурові клітини «за замовчуванням» диференціюються в кінцевому підсумку в нейрони кори головного мозку, однак шляхом додавання ззовні сигнальних молекул в чашці Петрі можна отримати, наприклад, клітини середнього мозку, стріатума або спинного мозку. Виявилося, що в чашці можна виростити справжню кору, так само, як і в мозку, що складається з декількох шарів нейронів і містить допоміжні астроцити.
Зрозуміло, що почесні культури являють собою сильно спрощену модель. Принцип самоорганізації нервової тканини допоміг вченим швидко перейти на тривимірні структури, звані сфероїдами і церебральними органоїдами. На процес організації тканини можна вплинути зміною початкових умов, таких як вихідна щільність культури і гетерогенність клітин, і екзогенними факторами. Модулюючи активність певних сигнальних каскадів, можна домогтися навіть формування у органоїда просунутих структур, таких як очний келих з епітелієм сітківки, що реагує на світло.
Використання спеціальної судини та обробка ростовими факторами дозволила вченим спрямовано отримати людський церебральний органоїд, що відповідає передньому мозку (півкулям) з корою, розвиток якої, судячи з експресії генів і маркерів, відповідала першому триместру розвитку плоду. А вчені зі Стенфорда під керівництвом Сергіу Паска (Sergiu Pasca) розробили спосіб вирощувати грудки, що імітують передній мозок, прямо в чашці Петрі. Розміром такі «мізки» близько 4 міліметрів, однак після 9-10 місяців дозрівання кортикальні нейрони та астроцити в цій структурі відповідають постнатальному рівню розвитку, тобто рівню розвитку немовляти відразу після народження.
Що важливо, стовбурові клітини для вирощування таких структур можна брати у конкретних людей, наприклад у пацієнтів з генетично обумовленими захворюваннями нервової системи. А успіхи генної інженерії дозволяють припустити, що скоро вчені зможуть поспостерігати за розвитком мозку неандертальця або денисівця.
У 2013 році дослідники з Інституту молекулярних біотехнологій Австрійської академії наук опублікували статтю, що описує вирощування в біореакторі з двох типів стовбурових клітин «мозку в мініатюрі», що імітує по будові мозок людини цілком. Різні зони органоїда відповідали різним відділам головного мозку: задньому, середньому і передньому, а «передній мозок» навіть демонстрував подальшу диференціацію на частці («півкуля»). Що важливо, в цьому міні-мозку, розмір якого також не перевищував декількох міліметрів, вчені спостерігали ознаки активності, зокрема, коливання концентрації кальцію всередині нейронів, які служать показником їх збудження (детально прочитати про цей експеримент можна тут). Метою вчених було не тільки відтворити еволюцію мозку, а й вивчити молекулярні процеси, що призводять до мікроцефалії - аномалії розвитку, яка спостерігається, зокрема, при зараженні ембріона вірусом Зіка. Для цього автори роботи виростили такий же міні-мозок з клітин хворого.
Незважаючи на вражаючі результати, вчені були впевнені, що такі органоїди нездатні щось усвідомлювати. По-перше, в справжньому мозку міститься близько 80 мільярдів нейронів, а у вирощеному органоїді їх на порядки менше - таким чином, міні-мозок просто фізично не здатний повною мірою виконувати функції справжнього мозку. По-друге, через особливості розвитку «в пробірці» деякі його структури виявилися розташовані досить хаотично і сформували неправильні, нефізіологічні зв'язки один з одним. Якщо міні-мозок щось і думав, це явно було щось незвичне нам.
Для того щоб вирішити проблему взаємодії відділів, нейробіологи запропонували моделювати мозок на новому рівні, який отримав назву «ассемблоїди». Для їх формування спочатку окремо вирощують органоїди, що відповідають окремим ділянкам мозку, а потім їх зливають. Такий підхід вчені використовували для вивчення того, як в кору вбудовуються так званих інтернейрони, які з'являються вже після формування основної маси нейронів шляхом міграції з сусіднього відділу переднього мозку. Ассемблоїди, отримані з двох типів нервової тканини, дозволили вивчити порушення процесу міграції інтернейронів у хворих на епілепсію і аутизм.
Прокинутися в чужому тілі
Навіть з усіма поліпшеннями, можливості «мізків у пробірці» сильно обмежені трьома принциповими умовами. По-перше, у них немає судинної системи, що дозволяє доставляти кисень і поживні речовини до внутрішніх структур. З цієї причини розміри міні-мізків обмежені можливістю дифузії молекул через тканину. По-друге, у них немає імунної системи, представленої клітинами мікроглії - в нормі ці клітини мігрують в центральну нервову систему ззовні. По-третє, у структури, що росте в розчині, немає специфічного мікроокруження, що надається організмом, що обмежує кількість сигнальних молекул, що надходять до неї. Вирішенням цих проблем могло б стати створення модельних тварин з хімерним мозком.
У свіжій роботі американських вчених з інституту Солка під керівництвом Фреда Гейджа (Fred Gage) описується інтеграція людського церебрального органоїда (тобто міні-мозку) в мозок миші. Для того щоб це зробити, вчені спершу вбудували в ДНК стовбурових клітин ген зеленого флуоресцентного білка, щоб за долею нервової тканини, що розвивається, можна було спостерігати за допомогою мікроскопії. З цих клітин протягом 40 днів вирощували органоїди, які після імплантували в порожнину в ретроспленальній корі імунодефіцитної миші. Через три місяці у 80 відсотків тварин імплант прижився.
Хімерні мізки мишей аналізували протягом восьми місяців. Виявилося, що органоїд, який можна було легко розрізнити за світінням флуоресцентного білка, успішно інтегрувався, утворив розгалужену судинну мережу, відростив аксони і сформував синапси з нервовими відростками господарського мозку. Крім того, від господаря в імплантат перебралися клітини мікроглії. Нарешті, дослідники підтвердили функціональну активність нейронів - вони демонстрували електричну активність і коливання кальцію. Таким чином, людський «міні-мозок» повноцінно увійшов до складу мозку миші.
Як не дивно, на поведінці досвідчених мишей інтеграція шматка людської нервової тканини не позначилася. У тесті на просторове навчання миші з хімерним мозком демонстрували ті ж результати, що і звичайні миші, і відрізнялися навіть гіршою пам'яттю - дослідники пояснили це тим, що для імплантації їм проробили отвір у корі півкуль.
Тим не менш, метою цієї роботи було не отримання розумної миші з людською свідомістю, а створення моделі церебральних органоїдів людини, забезпечених мережею судин і мікроокруженням для різних біомедичних цілей. Експеримент зовсім іншого роду поставили вчені з Центру трансляційної нейромедицини університету Рочестера в 2013 році. Як було згадано раніше, допоміжні клітини мозку (астроцити) людини сильно відрізняються від клітин інших тварин, зокрема мишей. З цієї причини дослідники припускають, що астроцити відіграють важливу роль у розвитку і підтримці функцій мозку людини. Щоб перевірити, як розвиватиметься хімерний мозок миші з людськими астроцитами, вчені підсадили попередників допоміжних клітин у мозок мишачих ембріонів.
Виявилося, що в химерному мозку людські астроцити працюють утричі швидше, ніж мишачі. Більш того, миші з хімерним мозком виявилися істотно розумнішими звичайних за багатьма параметрами. Вони швидше міркували, краще навчалися і орієнтувалися в лабіринті. Напевно, хімічні миші не мислили як люди, але, можливо, змогли відчути себе на іншому щаблі еволюції.
Тим не менш, для вивчення людського мозку гризуни - далеко не ідеальна модель. Справа в тому, що людська нервова тканина дозріває згідно з якимось внутрішнім молекулярним годинником, і перенесення її в інший організм не прискорює цей процес. Враховуючи, що миші живуть всього два роки, а повне формування людського мозку займає пару десятиліть, будь-які довгострокові процеси у форматі хімерного мозку вивчати неможливо. Можливо, майбутнє нейробіології все-таки за людськими мізками в акваріумах - для з'ясування того, наскільки це етично, вченим треба всього лише навчитися читати думки, а сучасна техніка, здається, скоро дозволить це зробити.